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世界新能源汽车产业发展动态

发布时间: 2010-08-02      浏览:

由于石油储量日趋紧缺和燃油车辆有害排放物成为城市空气的主要污染源,发展清洁、高效、可持续发展的新能源汽车技术,开发汽车清洁代用燃料,并实现产业化,成为当前世界汽车产业发展的最大焦点。

广义上来讲,用比较清洁替的代燃料和电能为发动机提供动力的汽车均可称为新能源汽车。按能源动力类型划分,主要可分为两大类:一类被统称为电动汽车,包括蓄电池电动汽车或称纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)和燃料电池汽车(FCEV);一类是以天然气和液化石油气、醇类、醚类、植物油等为燃料的各类代用燃料汽车。按汽车构造和启动原理方面划分,主要可分为热机型动力系统、热机——电力混合动力系统和电力型动力系统三种。

1 总体发展综述

1.1跨国公司期待新能源汽车突

2008年是全球汽车市场面临严峻考验的一年,席卷全球的金融危机使得全球经济陷入衰退,实体经济受到牵连、消费不振,导致汽车产业深陷困境。不仅美国、西欧、日本这样的成熟市场汽车销量大幅下滑,即使是中国、印度、俄罗斯等近几年持续高速增长的市场,也深受打击。2009年初,在密歇根州底特律市开幕的世界三大车展之一的北美国际汽车展上,众多跨国公司推出的新能源汽车成为车展的展示舞台,期待以此来提振行业。

在美国,推动新能源汽车发展是奥巴马政府能源政策的重要组成部分。美国政府在20094月宣布购买1.76万辆美国三大汽车厂商制造的、包括新能源汽车在内的节能车辆。按照政府规划,到2015年,美国要有100万辆充电式混合动力车上路。为鼓励消费,政府规定,购买充电式混合动力车的车主可享受7500美元的税收抵扣。此外,政府还投入4亿美元支持充电站等基础设施建设,并设立20亿美元政府资助项目以扶持新一代电动汽车所需的电池组及其部件的研发。美国汽车厂商和一些科研机构也在采取行动,争取在新能源汽车及其电池组的研发和生产方面有所突破。通用汽车公司生产的充电式混合动力车Volt计划于明年上市。美国能源部下属的国家实验室以及电池制造业联盟设立了研发和制造中心,为充电式混合动力车提供高性能的锂电池组。汽车城底特律所在的密歇根州,正在通过税收优惠等手段吸引电池厂商前来落户。4月份道氏化学、韩国LG4家电池制造商宣布在密歇根州总额达17亿美元的投资计划,相应获得了总额5.4亿美元的税收优惠。

资料来源:美国能源信息部EIA

1 2000-2008年美国各类新能源汽车销量(千辆)

日本企业同样也成为开发和展示低燃耗车的主力之一。在2009年初的底特律车展上,丰田汽车首次公开了混合动力汽车普锐斯新款与高档车雷克萨斯的混合动力、电动车试制品;本田将展示混合动力车Insight

资料来源:JAMA

2 1997-2006年日本各类新能源汽车保有量(千辆)

1.2新能源汽车解决方案多样化

新能源汽车的种类繁多,从纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车,到天然气汽车、液化石油气汽车、甲醇汽车、乙醇汽车、二甲醚汽车等各类代用燃料汽车,每个国家都在选择自己的新能源汽车发展路径,呈现多样化发展态势。

20世纪90年代中期,美国克林顿政府制订发展电动车的“新一代汽车伙伴(PNGV)计划”,集中研究电池驱动的纯电动汽车。但由于纯电动汽车一次充电后的续驶里程短,充电时间长,降低电池造价困难,在技术上也难以解决处理废旧电池二次污染、回收困难的问题,商业化进展缓慢。因此,布什政府执政后,不再积极鼓励发展纯电动汽车,重新提出自由汽车(自由燃料)Freedom CAR计划,实际上是放弃了纯电动汽车研究而更多的转向燃料电池汽车技术研发。这一时期,美国在氢燃料电池汽车领域取得了一定的进展,其技术研发确实在世界处于先进水平。但是燃料电池汽车仍然有一系列技术瓶颈有待突破,成本与基础设施建设等问题尚未解决,产业化进程缓慢。因此,近几年美国政府在研发领域的投入重点开始转向纯电动汽车、混合动力汽车和某些代用燃料汽车。20079月,美国能源部斥资2150万美元资助11个旨在提高轻型汽车发动机能效的研发项目,包括提高乙醇发动机燃料能效、研制先进润滑系统、研发高效和清洁内燃发动机3个领域;加上来自工业界的匹配研发资金,其总经费接近4300万美元。200711月,美国能源部再斥资2000万美元增强对插入式混合电动汽车(PHEV)研发,其中与美国先进电池联盟(USABC)对5PHEV电池研发项目合作投资1720万美元,并为密歇根大学提供近200万美元PHEV研究经费;加上USABC的匹配资金,项目总投入达到3800万美元。20097月,美国能源部宣布250亿美元先进汽车技术贷款项目的首批拨发情况,向福特、日产和特斯拉发放80亿美元低息贷款,支持混合动力汽车、插电式混合动力汽车和柴油车的发展。

欧洲是在汽车节能环保技术方面执行柴油技术战略最早、最彻底、最成功的地区,清洁柴油机技术快速发展。在新能源汽车研发和制造领域中,欧洲较崇尚完美零污染的纯电动汽车。其中最为成功和著名的就是电动标致106车型,这种以镍镉电池为动力的纯电动汽车经过十余年的发展,已经在欧洲各国,尤其是在政府部门当中,拥有大量的用户。但是镍镉电池还存在一定技术局限性,寿命、性能、续驶里程等都有待进一步发展,纯电动汽车的大规模产业化进程尚未完全成熟。对于燃料电池汽车,欧洲国家认为燃料电池装备复杂,现阶段在保证质量前提下的装备体积和质量较大,只能在大型行驶路线较为固定的公共汽车上进行应用。在这一领域,欧洲企业尚未进行产业化生产,较多还在示范运营、技术研发。例如欧盟组织的欧洲城市清洁交通(CUTE)和生态城市交通系统(Ecological City Transport SystemECTS)两个燃料电池公共汽车示范项目以及欧共体提出的进行车用蓄电池、燃料电池先进动力系统技术开发“明日汽车”计划。目前,欧洲企业在现实利益的驱动下较多选择了混合动力汽车开发和生产。20083月,瑞典工业部、环境部联合投入6200万瑞典克朗(约合1000万美元)支持瑞典相关机构与萨伯轿车、沃尔沃轿车、大瀑布电力公司(Vattenfall)、ETC公司等联合开发可直接连接电源充电的下一代混合动力环保汽车。

日本是最早开始发展电动汽车的国家之一。其汽车企业在产业发展上的主导性较强,承担大部分的研发经费,对市场信号非常敏感,研发重点集中在能迅速获得市场成效的项目上。因此,日本汽车企业从较早就将新能源汽车技术研发与生产重点放在现阶段解决环保和能源问题最为切实可行的、也是能最快能出业绩的混合动力汽车上。目前,日本已经在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面走在了世界前列,在全球混合动力汽车市场上占据主导地位。典型案例是,丰田的普锐斯和本田的Insight最早投放市场,逐渐取得经济效益,并成为其他汽车企业群起而效之的典范。不过日本也并未放弃氢能、生物燃料等其他新能源汽车领域的技术研发和产业化。例如20076月日本经济产业省制定将氢气、生物燃料等新能源作为燃料的下一代汽车普及计划。

1.3各类新能源汽车技术不断发展

经过多年讨论和探索,目前国际上对于汽车能源和动力转型形成了比较一致的看法:各种高新技术特别是新型动力电池技术的进步给纯电动汽车带来新的发展机遇;混合动力作为新型汽车能源动力技术共性平台继承了先进内燃机技术,结合了高效洁净的电力驱动方式,既充分利用现有燃料基础设施,又能包容各种代用燃料,已成为新型动力系统汽车产业化的典型代表;燃料电池作为一种新兴能量转换装置,尽管目前还存在很多需要克服的技术障碍,但其作为新一代汽车能源动力系统的远期解决方案仍然被看好,各种资助和示范验证正在进行;代用燃料汽车可以燃用天然气、液化石油气、生物柴油、合成燃料、醇类燃料、醚类等多种清洁替代能源,成为解决石油资源短缺的重要途径。

资料来源:罗兰贝格,中国汽车产业发展在当前金融危机下的机遇与挑战

3 新能源汽车发展路线图

各类新能源汽车技术都在不断发展。

资料来源:罗兰贝格,中国汽车产业发展在当前金融危机下的机遇与挑战

4 电动汽车技术的重点和优先事项

在车用动力电池领域,混合动力和纯电动车用动力电池负责储存并为电动机提供电能,其性能、成本和安全性很大程度上决定着混合动力汽车和纯电动汽车的发展进程。从当前的技术水平以及发展趋势来看,铅酸电池的技术最为成熟,但比能量低、自放电率高、循环寿命低,始终无法成为理想的车用电池,正逐渐被其他新型电池所替代;镍镉电池具有大电流放电能力强、比能量高、维护简单等优点,但记忆效应严重、使用寿命较短、过度充电易发生爆炸、且易污染环境,在车用电池的运用上已基本被淘汰;超级电容器续航时间短暂,只能作为改善汽车性能和支持动力系统的辅助设备,无法成为汽车主动力源;镍锌电池拥有很好的兼容性,但寿命短、锌电极不稳定,在汽车用动力电池领域的研发呈现消退之势;镍氢电池是目前应用最为广泛的车用动力电池,由于其技术成熟度和成本上的优势,在短期内仍将是混合动力汽车的首选动力;锂离子电池具有无记忆性、低自放电率、高比能量、高比功率、环保等诸多优点,应用前景较好,一旦成本问题得到解决,将取代铅酸电池和镍金属电池成为纯电动汽车和插电式混合动力汽车的主要动力选择。

在车用驱动电机领域,最早在电动汽车中应用的直流电动机具有起步加速牵引力大、控制系统较简单、控制性能好等优点,但直流电机转速不高,其车辆在过载能力、转速范围、功率体积比、功率重量比、系统效率、使用维护性等方面都受到限制,逐渐不再应用在新研制的电动汽车上。交流感应电动机质量轻、功率覆盖面宽广、转速高、冷却自由度高、对环境适应性好、价格便宜、维修方便,控制性能可与直流电机性能相媲美,是目前美国电动汽车驱动系统的主流产品,但仍然存在驱动电路复杂、效率及功率密度偏低、调速性能较差、控制系统成本过高等缺点。永磁无刷电动机结构灵活、设计自由度大、性能较好,适合成为电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动,已经在混合动力轿车上进行较多应用,但是受永磁材料工艺影响和限制较大,而且控制系统复杂,造价很高;开关磁阻电动机Switched Reluctance DriveSRD)调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点,结构简单、维护修理容易、可靠性好、转速和效率高、调速范围宽、控制灵活,如果其转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、结构复杂性较大等技术瓶颈得到突破,将更适合电动汽车动力性能要求,被视为最具潜力的电动车电气驱动系统。

还有各类动力电池和驱动电机的电子控制技术,向集成化、全数字化和智能化方向发展。

2. 纯电动汽车发展动态

纯电动汽车是最早出现的电动汽车,指以车载电源(充电蓄电池)作为储能方式,用电动机为动力来驱动车轮行驶的动力系统。纯电动动力的最大优点主要是其蓄电池能存储电能,这就决定了其动能的来源可以很广泛,例如可以利用水力、风力、核能等发电来给蓄电池充电。此外,还可以利用电力系统的低谷期给蓄电池充电,从而提高电网的效能,避免浪费。随着技术瓶颈的陆续攻克,纯电动汽车的产业化进程不断加快。

2.2.1纯电动汽车关键技术

2.1.1 锂离子动力电池技术研发进一步发展

在混合动力汽车和纯电动汽车上,动力电池负责储存并为电动机提供电能,其容量(能量密度)决定了汽车的续航能力。目前动力电池的类型主要有铅酸电池、镍镉电池、镍锌电池、镍氢电池、锂离子电池和超级电容器,目前在纯电动汽车方面使用和研发较多的是铅酸电池和锂离子电池。

铅酸蓄电池的应用历史最长,技术最为成熟,是成本、售价最低廉的蓄电池,已实现大批量生产。其中阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)一度成为重要的车用动力电池,应用在众多欧美汽车公司开发的纯电动车和油电混合车上,例如通用在20世纪80年代和90年代分别开发出的土星和EVI电动汽车等。但是,铅酸电池的比能量较低,续航时间短,自放电率高,循环寿命低;其主要原料铅的重量大,而且在生产和回收过程中可能产生重金属的环境污染。所以,目前铅酸电池主要用于汽车启动时的点火装置,以及电动自行车等小型设备。

车用锂离子动力电池是在一次性锂电池基础上发展起来的,是目前纯电动车用电池研发的主要方向。锂离子电池的诸多优点使之成为继镍氢电池之后最受研发机构和汽车厂商青睐的潜力车载电池。根据锂离子电池所用电解质材料不同,锂离子电池可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池两大类,前者使用的是液体电解质,而后者则以固体聚合物电解质来代替。根据正极材料的差异,锂离子动力锂电池主要包括钴酸锂电池、镍酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池等,正极是含锂金属化合物(LiCoO2LiFePO4LiMn2O4等),负极是碳素材料。早期研发的钴酸锂和镍酸锂电池由于含钴和镍,成本较高,而且还存在稳定性不好等缺点的制约,发展遇到瓶颈。新近研发的锰酸锂电池和磷酸铁锂电池技术有了较大进展,解决了不稳定、易爆炸的安全问题,得以在众多电动汽车进行应用。例如20096月开始量产的三菱iMiEV电动车、2009年夏季上市的梅赛德斯-奔驰S400 Blue Hybrid混合动力车都使用锂离子电池作为其动力系统。其他国际上主流汽车公司,如福特、日产、雪佛兰等,也都计划于20092010年推出基于锂离子电池的电动汽车。虽然目前锂离子电池在电池管理系统、电池组应用技术、安全性能、高额成本等方面还存在一定局限,需要继续进一步发展。但从当前各类车用动力电池性能比较、技术水平及其发展趋势来看,锂离子动力电池应用前景更好,若其电池成本等问题可以解决,将逐渐取代铅酸电池和镍金属电池,成为纯电动汽车和插电式混合动力汽车的主要动力选择。

5 车用动力电池的产业化发展趋势

2.1.2 车用驱动电机技术发展

应用在电动汽车上的电动机主要有直流电动机、交流感应电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机四类(表1)。直流电动机在电动汽车中应用最早,具有起步加速牵引力大、控制系统较简单、控制性能好等优点,但其缺点是有机械换向器和机械式电刷,电机运转不能太高,过载能力、转速范围、功率体积比、功率重量比、系统效率、使用维护性等方面都受到限制,在目前新研制的电动汽车上已基本不再采用。

永磁无刷电动机性能较好,较多应用于混合动力汽车上。目前在纯电动汽车上,应用较多的车用驱动电机是交流感应电动机和开关磁阻电动机。

交流感应电动机是目前欧美国家电动汽车驱动系统的主流产品,功率覆盖面宽广,转速可高达12000-15000r/min;可采用空气冷却或液体冷却方式,冷却自由度高;对环境的适应性较好,能够实现再生反馈制动;与同样功率的直流电动机相比较,质量减轻一半左右,价格便宜,维修方便。其缺点是驱动电路复杂、效率及功率密度偏低,控制系统成本过高,其造价远远高于交流感应电动机本身,而且调速性能较差。

开关磁阻电动机是一种新型的电动机。具有很多明显特点:结构比其它任何一种电动机都要简单,维护修理更容易;可靠性好,转速可达15000r/min,效率达到85%-93%;调速范围宽,控制灵活,而且可以在很广的范围内保持高效率。其缺点是转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、结构复杂性较大等,在应用上还受到一定限制,如何从电机设计和控制策略两方面加以改进是现在的研究热点。从四种电动机的性能和发展趋势比较来看,虽然目前永磁无刷电动机的性能最佳,但开关磁阻电动机最具潜力,一旦攻克其技术瓶颈,以及形成批量生产后迅速降低价格成本,将得到更大发展。

1 现代电动汽车驱动电动机的基本性能比较

项目

直流电动机

交流感应电动机

永磁无刷电动机

开关磁阻电动机

功率密度

较高

峰值效率(%

85~89

90~95

95~97

<90

负荷效率(%

80~87

90~92

85~97

78~86

转速范围(r/min

4000~8000

12000~15000

4000~10000

>15000

可靠性

一般

优秀

结构坚固性

一般

优秀

电机尺寸

电动机质量

电动机成本

(美元/kW

10

8~10

10~15

8~10

控制操作性能

最好

控制器成本

一般

综合评价

一般(坚固)

优(高效)

较优

资料来源:闫大伟 陈世元.电动汽车驱动电机性能比较.汽车电器,2004年第2

在电动汽车上,电动机、传动系统和制动系统紧密联系在一起工作,逐渐发展成为将这三种系统融为一体的轮毂电机技术,又称为车轮内装式电机技术。采用这项技术的驱动系统布置非常灵活,可以使电动汽车按照二个前轮驱动、二个后轮驱动或四轮驱动等方式来进行驱动的多种组合,并省略了传统汽车所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等,使得驱动系统和整车结构更加简洁、有效利用空间增加、传动效率提高。与内燃机汽车和单电机集中驱动电动汽车相比,轮毂电机技术具有很大优势,是现阶段先进电动汽车技术研究的热点之一,目前已经在电动自行车上获得较成功应用,在汽车领域也已有不少研究所和公司进行了专项研究,并开始应用到实际产品中。其中日本对这项技术的研究起步较早,处于世界领先地位。日本庆应义塾大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去10年中,研制的IZAECOKAZ等电动汽车均采用轮毂电机驱动技术;其中后轮驱动电动汽车ECO采用永磁无刷直流电机,额定功率6.8kW,峰值功率可达20kW。日本普利司通公司和丰田公司曾在2003年东京汽车展上分别推出动力阻尼型车轮内装式电机系统和燃料电池概念车FINEN,应用的就是轮毂驱动技术。美国通用汽车高级技术研发中心将其自行研制的轮毂电机技术应用到雪弗兰s-10皮卡车中,给车轮增加的重量只有约15kg,却可产生约25kW的功率,产生的扭矩比普通的雪弗兰s-10四缸皮卡车高60%,加速性能也有所提高。法国TM4公司设计的一体化电动轮,将轮毂电机技术结合到外转子永磁无刷直流电动机中,额定功率18.5kW,额定转矩950 rmin,额定工况下的平均效率可达96.3%,峰值功率达80 kW,峰值扭矩670 N·m,最高转速1385 rmin。从各种驱动技术的特点及发展趋势来看,采用轮毂电机技术的电机被视为电动汽车的最终驱动形式。随着电池技术、动力控制系统和整车能源管理系统等相关技术研发的不断深入,电动机性能的不断提高,轮毂电机技术将在电动汽车上取得更大成功。

2.1.3 车用电机控制技术集成化、全数字化和智能化发展

按照电机的不同类别,车用电机控制技术可分为异步电机控制技术、永磁同步电机控制技术和开关磁阻电动机控制技术。

异步电机控制技术发展较成熟,具有相对优势,主要有矢量控制技术、直接转矩控制技术和最大功率控制技术三种。(1)矢量控制技术是比较成熟并常用的异步电机控制技术,基于坐标变换的技术,将电机的定、转子电压、电流、磁势、磁链瞬时值所产生的效应用空间矢量来表示,以转子磁链矢量为参考坐标,通过三相到两相的坐标变换,实现定子电流转矩分量和励磁分量的解耦,进行独立控制和调节,使其异步电机具有和直流电动机一样优良的转矩、转速调节特性。其中转子磁场定向的矢量控制是20年来实际应用最为普遍、最为成熟的高性能交流调速系统技术,动态性能好,调速范围宽,但是控制性能仍然受到电机参数变化的较大影响。(2)直接转矩控制技术摒弃了矢量控制中解耦的思想,将转子磁通定向更换为定子磁通定向,通过控制定子磁链的幅值及其矢量相对于转子磁链的夹角,从而达到控制转矩的目的,具有控制手段直接、结构简单高效、控制性能优良、动态响应迅速等特点,非常适合应用于车用控制。其缺点是具有转矩脉动和低速性能差。消除或减少转矩脉动、提高调速范围、加快动态响应是这一技术改进的主要内容,也是其与矢量控制技术竞争的关键。目前已有将现有的直接转矩控制技术和矢量控制技术相结合,取长补短,构成性能更优越的控制系统。(3)最大功率控制技术可以改进常规矢量控制异步电机在低负荷区内效率低、功率因数低、与驱动装置不匹配的问题,在整个运行范围的每一个工作点都能使系统效率最大,是一种很有前途值得关注的控制技术。其缺点是控制中磁通减弱,转矩响应变慢,而且控制装置比较复杂,成本太高,实用价值较低。

永磁同步电机控制技术是永磁同步电机在高速运作时采用弱磁控制技术,使电机保持较宽的恒功率范围,满足电动车负载要求;在低速运作时采用矢量控制技术,包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。其中车用中小容量电机常采用转子磁链定向矢量控制技术,是异步电机转子磁链定向矢量控制的推广。

开关磁阻电动机控制技术是开关磁阻电动机在低速运行时采用斩波控制,输出恒转矩特性;高速运行时采用相角控制,通过调节导通角来调整输出转矩和转速。但是这种控制技术还存在利用率低、运行可靠性低等缺点。

目前,车用电机控制技术向集成化、全数字化和智能化方向发展。(1)集成化包括车用电机与燃油发动机或变速箱的集成,和电动汽车驱动控制器的开关器件、电路、控制、传感器、电源和无源器件集成到标准模块中构成电力电子组件。前者可以减小整个系统的重量和体积,有效地降低系统制造成本;后者可以较好地解决不同工艺电路之间的组合和高电压隔离等问题,具有较高的集成度,也可以有效减小体积和重量,但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题,而且还不能有效地降低成本。(2)全数字化是在微电子学及计算机技术的逐步发展,高速、高集成度、低成本的微机专用芯片以及数字信号处理(DSP)等广泛应用下实现的,包括驱动控制的数字化、驱动到数控系统接口的数字化以及测量单元数字化,使改变控制策略、修正控制参数和模型更加简单易行,提高控制系统的可靠性和实用性,并具有保护、故障监视、自诊断等其它功能,完善车辆的整体运行状况。(3)非线性智能控制技术在车用电机控制领域的应用,包括变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等,使系统结构更加简单、响应更加迅速、抗干扰力加强、稳定性增加,以此大大提高整个系统的综合性能。

2.2纯电动汽车产业化进程加快

在纯电动汽车的第一个发展阶段,全世界有9个大型汽车厂10种纯电动汽车投入小规模生产(表2)。如通用汽车开发的纯蓄电池电动汽车EV1最高时速可达128千米/小时,从静止加速到千米/小时只需9秒,一次充电可行驶144千米,其后通用IMPACT电动车一次充电续驶里程达到190千米;还有福特汽车公司和通用电气公司联合开发EXE-Ⅰ、EXE-Ⅱ电动汽车;丰田公司生产的RAV4电动汽车由铅酸电池改为镍氢电池,单次充电可行驶200千米,零售价4.2万美元/辆,其中电池成本占整车成本的40%;日产汽车公司1998年在日本和美国销售的ALTRA电动车采用锂电池,循环寿命长,可反复使用1200次,续驶里程124千米;1997年法国雷诺公司推出装备锂电池的标致106电动汽车;大众汽车公司在第18届国际电动汽车展会上推出的电动汽车能量来自300公斤的充电电池,在12秒内可从0加速到100千米/小时,最高车速140千米/小时。

关注第二代纯电动汽车技术研发的,有Heuliez、三菱、富士重工、通用等汽车企业,以及属于电力系统的法国电力公司、东京电力公司,以及东芝、日立、东洋电机、三洋电机、旭化成、NEC等机电跨国公司。目前,纯电动汽车在美、日、欧等国家和地区得到了一定程度上的商业化应用,欧洲地区已有1万辆纯电动汽车,美国也陆续从中国批量进口纯电动汽车进行运营尝试。丰田、日产、富士重工、三菱、通用、福特也在推进批量生产计划。从大规模产业化角度来看,第二代纯电动汽车还存在着技术、运行经济、基础设施配套、政府政策支持等方面的瓶颈,在轿车领域的发展还没有达到预期目的,大部分产品集中于短途低速、城区公共交通及旅游区交通等领域。


2 国外主要纯电动乘用车型技术对比与发展计划

企业

合作者

车型

上市时间/

上市计划

一次充电续驶里程(km

最高车速km/h

充电时间

企业发展计划

本田

/

本田 EV Plus

19979

200

130

6-8h20%充到100%

2003年前产量已超过1000

丰田

/

丰田RAV-EV SUV

1998年上市,2003RAV-EV SUV停产

200

125

6.5h完全充电

2003年前产量已超过1000

丰田、松下投资PEVE合作开发锂离子电池组

FT-EV电动概念车

2012上市

80

112

2.5-7h充满

2010年前后在小型车领域发展

通用

/

通用汽车 EV1

1996年底上市,2002GM EV1被迫停产

88-152km(铅酸电池)120-200km(镍氢电池)

200 km/h   无电子限速器

15分钟充到80%

/

与美国电力研究协会EPRI30多家电力企业合作,以保证译电服务

雪佛兰VOLT

2010年量产

64.4

160

6h

雪佛兰Volt纯电动车系列,将现在T型锂电池组的体积和成本缩减50%,直至电池发展到能够满足纯电动汽车商业化的要求。

日产

NEC公司合资成立AESC,量产锂离子电池

Denki Cube电动概念车

2010年生产

160

120

8h

日产汽车将于2012年批量生产纯电动汽车,并投放日本和欧洲市场;同时雷诺-日产签署以色列电动汽车项目

富士重工

与东京电力公司合作开发锂离子电池组

斯巴鲁R1e

2009年投产

80

100

8分钟充到80%10分钟完成充电

2010年左右在小型纯电动车领域发展年产4500

三菱

投资GS汤浅电池,开发锂离子动力电池

i MiEV纯电动

2010年量产

130

130

30分钟充到80%7小时充满

2009年前后实现纯电动汽车年产2000辆;2010年年中将纯电动汽车投放日本市场,约2011年欧洲上市;同时向法国PSA提供电动汽车及电池技术,帮助PSA解决用电时蓄电池过热问题

福特

与全美汽车工人联合会开发业界领先的新型操作方法框架

/

2011年上市

161

/

/

计划生产一款纯电动车型,该车型将与福特福克斯车型共用生产平台。

戴姆勒

与德国能源公司RWE开展电动汽车充电设施建设的合作项目

Smart Ev

NA

NA

NA

NA

2012年前后 Smart EV

计划在2011年在以色列和丹麦销售SMART电动车

大众

在以锂电池驱动的电动汽车领域与中国电池和汽车生产商比亚迪合作

/

/

/

/

/

研发中,暂无量产计划

宝马

/

Mini E电动实验车

2008年底500辆试运行

250

152

2.5h

研发中,从Mini上实施运行实验

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理


3 混合动力汽车发展动态

根据国际电子技术委员会的定义,混合动力电动汽车是一种能够根据特定的运行要求,从两种或两种以上能量源、能量储存器或转化器中获取驱动力的汽车,在运行中至少有一种能量储存器或转化器直接驱动汽车,并且至少有一种能量源、能量储存器或转化器能够传递电能。目前发展较快的混合动力汽车,一般使用热机-电力混合型动力系统,采用传统发动机和高效二次电池(包括大容量电容器、飞轮储能器),兼容机、电两方面的工作特性的动力系统。即以汽油机为主动力,辅助以电动机和一系列能量回收、储存设备,将汽车制动过程中浪费的能量收集起来,转化为电能驱动汽车,从而达到节省能源、减少排放的效果。与其他类型电动汽车相比,混合动力的改造成本相对低,只需改造目前的加油站,不必重新投资建设新的燃料供应站。但是,混合动力汽车依然要搭载汽油发动机,只不过是比传统发动机节能环保;而且,混合动力汽车虽然在低速拥堵的城市路况中节油效果可达44%,但在高速行驶中的节油效果却较弱。

虽然与纯电动汽车和燃料电池汽车等其它新能源汽车相比,混合动力汽车在节能和环保方面还存在一定局限,被视为阶段性的新能源汽车产品,但在目前发展阶段下,混合动力已经凭借其日臻完善的技术,取得了较为迅速的产业化进程,获得了一定的商业化成果。

3.1混合动力汽车关键技术

混合动力汽车进入实用化,需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置,低成本、高效率的功率电子设备和燃料经济性高、排放低的发动机。这一领域的关键技术与纯电动汽车相似,也是动力电池、驱动电机和各类电子控制技术。

3.1.1 镍氢电池广泛应用于混合动力汽车领域

如本文上一节纯电动汽车关键技术所述,镍氢电池是目前应用最为广泛的车用动力电池,主要应用在混合动力汽车领域。

镍氢(Ni/MH)电池具有良好的耐过充、过放能力,不存在重金属污染问题,而且在工作过程中不会出现电解液增减现象,可以实现密封设计、免维护。与铅酸电池和镍镉电池相比,镍氢电池具有较高的比能量、比功率及循环寿命。其缺点是电池具有的记忆效应较差,而且随着充放电循环的进行,贮氢合金逐渐失去催化能力,电池内压会逐渐升高,影响到电池的使用。此外,镍金属昂贵的价格,也导致成本较高。

在关键材料上,镍氢电池主要由正极、负极、隔膜和电解质构成,正极为镍电极(Ni(OH)2);负极一般采用金属氢化物(MH);电解质主要为液体,主要成份是氢氧化钾(KOH)。目前镍氢电池的研究重点主要在正、负极材料上,其技术研发相比较成熟,如表3

3 镍氢电池关键材料及技术

关键材料

主要材料

说明

负极材料

(贮氢合金MH

AB5型稀土镍系贮氢合金、AB2Laves相贮氢合金

制备方法

冶炼法:主要的制备方法,过程简单,但原料价格较高,合成材料均匀性不够好、比表面积小,需多次熔炼;

化学法:原料为廉价的无机盐或矿石,合成的材料均匀性好、比表面积大,但工艺尚不成熟。

其他材料

除了AB5AB2型贮氢合金材料外,还包括AB型钛系贮氢合金、A2B型镁基贮氢合金、钒基固溶体合金、LaNi3CaNi3合金等

正极材料

(镍电极)

Ni(OH)2

技术发展历程:

 

电解质

KOH

一般采用KOH水溶液,有时还会加入少量NaOHLiOH作为电解液

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理

目前许多欧美国家和日本企业都在研制车用镍氢电池,并已实现了批量生产和使用,是混合动力汽车研制中应用最多的车载电池类型。美国的Ovonic公司、日本的松下、丰田、本田、东北电力、汤浅、古河、三洋、新神户电机等均推出了镍氢电池驱动的电动汽车,德国的Varta公司、法国的SAFT公司和韩国的现代汽车公司也研制出电动车用镍氢动力电池并装车运行。最典型的代表即目前混合动力汽车量产规模最大的丰田普锐斯。丰田与松下合资成立的PEVE公司是目前世界最大的镍氢动力电池制造商。20092月,丰田还宣布将其与松下电器合资的松下电动车能源公司(Panasonic EV Energy)原计划2010年启动的混合动力车镍氢充电电池项目提前到2009年。

3.1.2 永磁无刷电动机应用

同样如前所述,在混合动力汽车领域应用较多的是永磁无刷电动机。

永磁无刷电动机采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构,具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围。按照磁钢在电机中的安放方式,永磁无刷电动机可分为内置式永磁无刷电机和表贴式永磁无刷电机,在电动汽车领域进行应用的主要是前一种类的内置式永磁同步电机,也称为混合式永磁磁阻电机。内置式永磁同步电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩,以此来提高电机的过载能力和功率密度,而且易于弱磁调速,扩大恒功率范围运行。这种电动机的结构灵活、设计自由度大,在目前几类车用电动机中是性能最好的,适合成为电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动,已经引起了各大汽车公司的关注,特别是获得日本汽车公司的青睐,在混合动力轿车上进行较多应用。如本田InsightCivic电动汽车,丰田PriusCrownEstima EV电动汽车,日产RIleSSa EV电动汽车等。美国汽车公司也在新车型设计中将永磁无刷电机作为主要采用的驱动电机,如美国UQM公司为美国军方机动车辆配套生产的30100kW系列驱动电机就是采用的永磁无刷电动机。

但是,永磁无刷电动机受到永磁材料工艺的影响和限制。在受到振动、高温和过载电流作用时,永磁材料的导磁性能可能会下降或发生退磁现象,将降低永磁电动机的性能,严重时还会损坏电动机。而且,永磁无刷电动机在恒功率模式下的控制系统复杂,造价很高。

3.1.3 电子元器件推动混合动力汽车发展

混合动力汽车需要大量应用于发动机控制、电池管理、再生制动、电动转向以及其它系统的电子元器件。目前一部混合动力汽车所用的电子元器件占汽车基本成本的比例为47%,而传统汽车中的电子元器件只占汽车基本成本的15%。其中最核心的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管,对于牵引驱动、电动机控制和发电机具有非常重要的作用。

随着混合动力汽车市场规模的扩大,各类应用在混合动力汽车上的电子元器件销售也不断增长。图6Business Communications公司对于各类混合动力汽车用电子元器件市场规模的预测。

 

资料来源:Business Communications公司

6 混合动力汽车用电子元器件市场规模(单位:百万美元)

目前,混合动力汽车是现阶段解决环保和能源问题最为切实可行的新能源汽车方案,首要难题是降低成本。除了动力电池、电机驱动系统之外,各类电子元器件市场规模扩大、价格降低,亦是混合动力汽车在电子控制系统领域降低成本、推动销售的重要方式之一。

3.2混合动力汽车市场不断扩大

由于在对新能源汽车发展路线的选择上存在差异,因此较早进行混合动力技术研发并实现产业化生产的是日本汽车企业,特别是丰田与本田,占据了全球混合动力领域技术研发和销售市场的主导优势。丰田普锐斯自1997年上市以来一直占据全球混合动力汽车市场较大份额,再加上其Highlander、雷克萨斯RX等混合动力产品,截至20091月底在全球累计销量已超过170万辆。20093月,丰田与法国电力公司(Electricite de FranceEDF)合作,在法国斯特拉斯堡实施使用充电基础设施的插电式混合动力车(PHV)公路试验,这种系统将增加普锐斯的动力蓄电池搭载量,并配置充电装置,可以在家庭中进行充电,使得只使用电机就能增加车辆的实际行驶里程,进一步提高燃油经济性与排放性能。按照丰田的规划,丰田在2012年之前还将推出10款新型混合动力车,不仅要在小型车平台上普遍采用混合动力系统,还准备逐步推向包括SUV在内的几乎所有车型;进一步削减成本,将目前造价38万元的混合动力系统成本缩减至1/4;推出第三代普锐斯,将其产量在原有基础上提高70%,使总产量达到48万辆。除了丰田之外,本田汽车公司在混合动力汽车市场也占据一定地位,凭借Insight、思域、雅阁等混合动力产品位居美国混合动力汽车销量第2位。2008年,本田宣布将扩大混合动力车型的产品线,预计四款混合动力车型的年销售量将达到50万辆。为了增强混合动力车型的产能,本田在日本铃鹿工厂增设混合动力系统电动马达的新生产线,将在单位时间内的生产数量提高一倍以上,2008年年底投产,其年产能预计将达到25万辆。

近几年,欧美国家政府及其汽车企业也在利益驱动下重新审视混合动力技术市场前景,调整自己的技术路线。美国参议院财政委员会在2007年通过《能源促进和投资法案2007》(Energy Advancement and Investment Act of 2007),增加了对混合动力汽车的税收优惠激励措施。美国能源部与三大汽车公司签定合同,进行为期5年的混合动力汽车研制开发工作。20083月,瑞典工业部、环境部投入6200万瑞典克朗(约合1000万美元),支持瑞典相关机构与萨伯轿车、沃尔沃轿车、大瀑布电力、ETC公司等联合开发下一代混合动力环保汽车(可直接连接电源充电)。众多欧美汽车企业相继推出其混合动力产品,与日本汽车厂商抢占市场份额。例如法国PSA集团先后推出了贝灵格型和XSARA型混合动力汽车;20089月,德国史古德利集团(Scuderi Group)与德国的马勒公司、舍弗勒公司,瑞典的Cargine Engineering公司,美国的Convergent Science公司、盖茨(Gates)公司合作,研发空气燃油混合动力(Air-Hybrid)发动机;同时,克莱斯勒将混合动力技术研发应用于道奇公羊皮卡上,预计将在2010年推出相应产品。

4 世界主要汽车厂商已上市及拟上市的混合动力汽车

企业名称

混合动力汽车产品/品牌

年份

丰田汽车

普锐斯轿车一代

1997

普锐斯轿车二代

2003

Highlander陆地巡洋舰

2005

雷克萨斯GS460

2005

雷克萨斯RX400h

2007

雷克萨斯LS600hl

2007

雷克萨斯RX450h

2009

雷克萨斯GS450h

2009

2009 下一代普锐斯

2008

A-BAT

2008

凯美瑞混合动力版

2009年以后

本田汽车

INSIGHT两座轿车

1999

CIVIC轿车

2002

ACCORDHYBRID雅阁混合动力汽车

2005

Global

2009

三菱汽车

HEV无阶梯公共汽车

2003

现代汽车

混合动力CLICK

2004

福特汽车

Mariner混合动力汽车

2005

ESCAPE多功能越野车

2005

Fusion

2008

通用汽车

雪佛兰Silverado

2005

GMCSierra皮卡

2005

Saturn-VUE多功能运动型轿车

2005

通用ChevyEquinox商务车

2006

雪佛兰Tahoe

2007

吉姆希Yukon

2007

Saturn Aura

2008

Saturn Vue

2008

雪佛兰 Malibu

2008

雪佛兰 Silverado 1500

2009

Cadillac Escalade

2009

雪佛兰 Tahoe

2009

GMC Yukon

2009

Porsche

2010

雪佛兰 Volt - plug-in

2010

戴姆勒-克莱斯勒

DodgeRam重型卡车

2005

梅赛德斯-奔驰S

2006

道奇Durango运动多功能车

2008

马自达

Mercury Milan

2008

Mercury Montego

2009

保时捷

保时捷卡宴

2010

保时捷Panamera

2010

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理

专家认为,虽然是由电动机和内燃机结合使用的过渡车型,但作为一种既没有破坏现有汽车制造产业生产、销售、服务基本格局,同时符合环保与节能主题的“绿色”车辆,混合动力还将持续在全球备受重视,预计还有40-50年的市场周期。20088月,印度调查公司RNCOS混合动力车全球市场预测报告“Global Hybrid Car Market Forecast to 2010,预测2008-2015年全球混合动力汽车的年均增长率(CAGR)将达到12%。此外,根据日本野村总研(Nomura)预测(图7),全球混合动力车销售到2012年会增至219万辆,年复合增长率达33.31%;与混合动力汽车相关的零部件销售额将从2007年的28.3亿美元增长到2012年的70亿美元,年复合增长率将近20%。可以确信,未来几年混合动力汽车的市场分额还将不断增长,成为新能源汽车发展的最主要推动力。

资料来源:现代汽车公司、日本野村总研(Nomura),

上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理

7 全球混合动力汽车销售现状及预测

4 燃料电池汽车发展动态

燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置,它可以直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。燃料电池汽车被认为是新能源汽车的终极解决方案。

世界上第一轮燃料电池汽车研发高潮在2000年左右,众多发达国家汽车企业纷纷投入巨资,组成联盟,进行燃料电池车的相关研究、试验与生产。奔驰、通用、丰田等都认为,到2004年燃料电池车将能批量生产,实现产业化。然而,这一预期很快在诸多技术瓶颈难题下以失败告终,国际社会将对于燃料电池汽车未来产业化的预测节点推到了2015之后。目前行业内对于燃料电池汽车的技术研发已经进入第二阶段。与2000年之前各国投入造车和示范运营不同,这一阶段的研究重点重新转向应用基础研究,例如研究氢能本身的技术问题、制氢和储氢技术、高效的氢能转换技术,以及车用燃料电池环境适应性与降低贵金属担量影响电池寿命和成本等办法。

4.1燃料电池汽车关键技术

燃料电池汽车的关键技术有两大类,一类是燃料系统关键技术,包括燃料电池制取、车载存储、氢气供给等技术;另一类是燃料电池汽车开发中的关键技术,包括燃料电池技术、驱动电机技术、电子控制技术等。燃料电池汽车的驱动电机技术、电子控制技术与纯电动汽车、混合动力汽车该领域的技术相同,这里不再复述。

4.1.1燃料系统关键技术

燃料系统关键技术包括氢燃料制取技术、车载存储技术及供给的基础设施建设。

按照氢气供给方式的不同,燃料电池的制取可分为两种。第一种制取方式非常简单,直接使用纯氢,与空气一起供给电池组,能量转换过程的副产品是水,能量利用率高,排放污染小。但是其氢燃料供给的基础设施建设是很大问题。目前可考虑到的利用商业手段制造、储存、运送和分配氢气的可行方案有:用大规模天然气制取设备集中制取,在加气站与集中制取地之间用运输车运输液态氢,或用氢气管道进行连接;从化工冶炼厂制取氢,利用管路连通工厂和加气站;在加气站利用小规模的天然气制取设备或水电解原理生产氢气。此外,生产氢气的方法还包括生物技术、煤炭、城市固体废弃物,利用非峰值水利、风力、太阳能或核能电解制取等。

第二种方式是以甲醇和汽油作为车载液体燃料,利用重整装置技术制取氢气,再供给燃料电池。汽油转化氢的燃料电池系统具有可靠性高、成本低和性能好、排放低等优点,虽然与甲醇重整制取氢相比系统较复杂、效率也比较低,但氢含量为甲醇的2倍。而且,从基础设施投资观点出发,汽油燃料在每个加油站都能得到,不需额外增加基础设施、燃料制造和设施分布投资,具有较高的使用价值。目前美国已有研制从汽油中提取氢的新型燃料电池,其燃料效率比内燃机提高1倍,污染只有内燃机的5%。因此,汽油燃料电池系统开发起步时间虽晚,但能够极大地促进燃料电池商品化的进程。这种方式还涉及到氢燃料车载存储技术。氢的能量密度很低,常态是气态,若要使氢燃料电池汽车的续驶里程与现有汽车相同,氢气可采用高压压缩、超冷液化、金属氢化物、活性炭吸附和碳纳米技术几种方式随车储存。

4.1.2 燃料电池技术

燃料电池是燃料电池汽车的动力源,对燃料电池的基本要求是:高比能量和比功率;安全性好且成本低;对环境无危害,可回收性好。迄今已经研发的多种类型燃料电池中,以质子交换膜作为电解质的质子交换膜燃料电池被认为是最适合于汽车的燃料电池。

寿命与成本,是第二轮燃料电池技术研发与应用基础研究中的关键问题,也是制约燃料电池汽车商业应用的主要障碍。首先是燃料电池的寿命问题,根据专家测算,其电堆动态寿命必须能达到5000小时以上。其次是成本问题。现在国际上每辆氢源燃料电池汽车的成本,一般在100万美元到200万美元之间,造价非常昂贵。而作为核心部件的燃料电池,也占据着燃料电池汽车成本的最大比重。根据美国能源部测算,目前氢燃料电池的生产成本约为500美元/千瓦。专家估计,只有当燃料电池的生产成本降至50美元/千瓦的水平时才能为消费者所接受。也就是说,当一台80千瓦车用燃料电池的成本降到目前汽油发动机的价格(约合3500美元)时,才能创造较大市场效益。降低成本的主要方法是关键零部件的批量生产,以及在研发和产业化过程中尽量减少昂贵的催化剂,使用低铂担量电极组件,或寻找新的价格较低的非贵金属催化剂。

就技术层面而言,美国在燃料电池技术的研究开发方面始终处于世界领先地位,日本、欧洲紧随其后。鉴于目前氢气在生产和储存等方面仍存在技术障碍,氢气管道和加氢站等基础设施建设还需巨额资金投入,以及成本举高不下等问题,氢燃料电池汽车在未来10-20年出成果可能性较少。

4.2燃料电池汽车产业化路漫漫

氢动力是汽车界公认的最有希望的新能源汽车“终极目标”,除了成本价格高外,它几乎是传统能源汽车最理想的替代者。各国政府和世界各大汽车生产商都积极推进燃料电池的产业化。特别是在2000年左右,兴起第一轮燃料电池汽车研发高潮。众多发达国家汽车企业投入巨资,组成联盟,进行燃料电池车的相关研究、试验与生产。其中推进示范项目是各国促进燃料电池汽车发展的一个重要手段。世界各国已有10多个燃料电池汽车开发展示项目,比较有代表性的示范项目有芝加哥 - 温哥华 - 巴拉德项目、美国加州燃料电池合作计划、欧洲燃料电池巴士项目、欧盟燃料电池巴士示范项目、欧洲电动汽车城市运输系统(ELCIDIS)计划、日本氢能及燃料电池示范项目(JHFC)等。其中加州燃料电动车示范项目和日本氢能及燃料电池示范项目取得较显著效果。奔驰、通用、丰田等曾认为,到2004年燃料电池车将能批量生产,实现产业化。

然而,这一预期很快以失败告终。20037月,最早将燃料电池汽车投入商业运营之一的日本丰田汽车公司,召回了其出租的6辆燃料电池汽车,并宣布推迟另外6辆燃料电池汽车的租赁。其原因是储存氢燃料的高压氢气罐在加注氢气时出现了泄漏。而其他燃料电池汽车的试运行,也在诸多技术瓶颈下陷入困境。许多企业停滞了对于燃料电池汽车研制和产业化尝试。国际社会将对于燃料电池汽车未来产业化的预测节点推到了2015之后,第二次试运行高潮则出现在 2010年左右。目前,行业内对于燃料电池汽车的技术研发已经进入第二阶段。与2000年之前各国投入造车和示范运营不同,这一阶段的研究重点重新转向应用基础研究,例如研究氢能本身的技术问题、制氢和储氢技术、高效的氢能转换技术,以及车用燃料电池环境适应性与降低贵金属担量影响电池寿命和成本等办法。

从整体来说,燃料电池汽车目前仍然处于试验期,尚未进入商用化阶段。氢的生产和储运、高昂的装置成本,以及燃料供应站基础设施建设等,都是燃料电池产业化面临的诸多难题。虽然近几年各大汽车公司陆续向消费者展示了各自的燃料电池汽车初步研制成果,但是进行大规模生产的制造商较少,大部分都是将试验数据反馈到设计师手中,期待技术的进一步完善。美国专业市场研究机构Freedonia Group预计,未来10年燃料电池技术仍将发展缓慢。

5 国外主要汽车厂商已上市及拟上市的燃料电池汽车

企业名称

燃料电池汽车产品/品牌

年份

戴姆勒-克莱斯勒

NECAR 1

1994

梅赛德斯奔驰

奔驰Citaro巴士

1998

首款燃料电池混合动力公共汽车Citaro FuelCELL-Hybrid

2009

F-CELL Roadster

2009

铃木汽车

Wagon R-FCV

2003

MR Wagon-FCV

2003

SX4-FCV

2008

现代汽车

途胜FCEV

2005

圣达菲FCEV

 

iBlue

2007

途胜燃料电池车 FCEV

2007

标致汽车

标致207 EPURE

2006

Partner H2Origin

2008

通用汽车

氢燃料电池车:雪佛兰Sequel

2006

雪佛兰Equinox FCEV

2007

凯迪拉克 Provoq

2008

福特汽车

Fusion Hydrogen 999

2007

大众汽车

途欢Tiguan

2008

本田汽车

氢能燃料电池汽车FCX Clarity

2008

平尼法瑞那

Sintesi

2008

丰田汽车

FCHV-adv

2009

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理

当然,燃料电池汽车目前仍是新能源汽车未来主攻方向的一种选择,已经有许多企业在为其商业化运营做准备。200999日,日本丰田、本田、日产。德国戴姆勒,法国雷诺,美国福特、通用,韩国现代全球八家大型汽车公司发表联合声明,计划于2015年正式开始普及燃料电池汽车。这项计划不仅包括“能够在2015年之后实现燃料电池车的量产”,还包括为普及所需的基础设施建设提供支持。

5 中国(上海)新能源汽车发展动态

5.1中国新能源汽车战略变化

中国非常重视新能源汽车发展。“八五”期间,电动汽车列入国家科技攻关计划,重点开展电动汽车关键技术的研究;“九五”期间,电动汽车正式列入国家重大科技产业工程项目,主要开展电动概念车(含相关技术)研究、电动改装车开发、试验示范区建设、运行机制和政策法规及技术标准的研究;“十五”期间,国家在2001年正式启动“十五”国家高新技术研究发展计划(863)之电动汽车重大专项项目,投资数亿元,确立了以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车为“三纵”,以多能源动力总成、驱动电机和动力蓄电池共性关键技术为“三横”的“三纵三横”研发布局。其中燃料电池轿车布局在上海,依托上海燃料电池汽车动力系统有限公司和同济大学;燃料电池大客车布局在北京,依托清华大学和北京客车厂等;混合动力轿车布局在武汉,主要依托东风电动汽车公司开发,以后奇瑞和长安也加入此行列;混合动力大客车布局在武汉和长春,主要由一汽和东风电动汽车公司利用各自的底盘技术进行开发;纯电动汽车布局在北京和天津,客车由北京理工科凌电动车辆有限公司,轿车由天津清源动力有限公司研发,后奇瑞汽车公司也加入其中。这一期间,中国在纯电动、混合动力和燃料电池汽车的整车集成技术、动力系统集成技术以及动力总成关键零部件技术方面取得重要技术突破,同时也在专利战略和技术标准平台建设方面为自主知识产权新能源汽车产业化奠定较好基础。

然而,鉴于技术瓶颈和基础设施建设等问题,燃料电池汽车产业化进程缓慢。以甘蔗和玉米等粮食作物为主要生产原料的生物乙醇燃料汽车,鉴于粮食问题考虑也不作为鼓励选择。中国新能源汽车的战略重点逐步转向混合动力汽车和纯电动汽车。一系列针对混合动力和纯电动汽车的优惠政策及示范项目应运而生。20093月,国务院发布《汽车产业调整和振兴规划》中提到“改造现有生产能力,形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能,新能源汽车销量占乘用车销售总量的5%左右。主要乘用车生产企业应具有通过认证的新能源汽车产品。”规划为中国新能源汽车,尤其是混合动力和纯电动汽车的产业化提供了较大发展政策。

根据全球著名汽车咨询公司CSM发布的《中国电动汽车市场发展及展望》,预计到2015年,中国混合动力和纯电动乘用车(不包括非道路用车和商用车)产销量将超过10万台,占整个中国乘用车市场的1%左右。

5.2国内电动汽车研发与生产情况

截至目前,我国已经有不少企业制定了混合动力汽车计划,如一汽、上汽、长安、东风等。表6列出了国内主要生产和研究混合动力汽车的厂商情况,有些仅是功能样车阶段,也有不少已进入量产销售。例如2008年,采用并联式弱混合动力技术的奇瑞A5轿车开始批量生产,价格大概比普通的汽油车贵5000-8000元左右;20093月,采用中度混合动力技术的奇瑞轿车也开始批量生产,价格比普通汽油车贵2万元左右。同样在2008年实现量产销售的还有长安的混合动力车杰勋和比亚迪F3DM双模电动车,后者的成本费用约为5万元,预计产量提高到20万辆后成本可降至3万元左右。

6 中国主要汽车厂商混合动力车研发生产情况

企业名称

产品/品牌

基本情况

一汽丰田

国产普锐斯下线

2005年在长春一汽基地生产下线;

2008年对PR1US价格进行全面调整,标准版从28.22万元降为25.98万元,真皮导航版从30.20万元降为27.98万元,最高降幅高达2.22万元

一汽

自主研发的混合动力公交车下线

申请相关专利6项;

一汽红旗与三菱携手打造混合动力

一汽

奔腾B70HEV

2009年量产销售

上海大众

混合动力途安计划2010年量产销售

混合动力驱动系统来自大众汽车;

同济大学积极参加,在电池技术方面提供支持

上海通用

别克君越混合动力车ECO-Hybrid量产

2009正式量产销售,售价仅比普通版提高2万元

上汽股份

混合动力荣威

混合动力客车

与上海交通大学、同济大学共同签署新能源汽车战略合作协议,加快替代能源、混合动力、燃料电池车等车型研发;“十一五”期间全面形成在新能源汽车领域的整车集成开发能力

东风

自主研发的混合动力公交车下线

申请相关专利1项;

东风汽车混合动力城市公交车2005年小批量投产

长安

CM9样车2008量产;

长安杰勋HEV 2008年量产销售;

具有完全自主知识产权的羚羊混合电动样车

是国家科委863/CIMS主题办批准的CIMS技术重点示范应用企业;

开发出了混合动力发动机

奇瑞

代号BSG/ISG混合动力样车2006年底批量生产;

A5 BSG 2009年量产销售

与科技部合作开发混合动力汽车

比亚迪

混合动力版福莱尔;

F3DM双模电动车2008年量产销售

致力于燃油汽车、电动汽车和混合动力汽车研发与生产,产品线由原来单一的0.8“福莱尔”微型轿车,迅速扩充为包括A级燃油车、C级燃油轿车、锂离子电动汽车、混合动力汽车在内的全线产品

华普

海尚305样车2008年量产

与同济大学汽车学院联合开发混合动力轿车

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理

在纯电动汽车领域,国内企业从事技术研发和产业化生产与试运营的有东风、天津清源、北京理工科凌、比亚迪、万向等企业。还有更多企业加入蓄电池或纯动力汽车的研发或试运营,如咸阳威力克能源有限公司、博信电池(上海)有限公司、上海瑞华集团、深圳雷天绿色电动源有限公司、中信国安黄金有限公司、合肥工业大学等。这些企业的主要车型技术对比和示范运行及产业化现状见表7和表8200812月,从事磷酸铁锂动力电池研发的北大先行、知名发动机制造商康明斯、从事电动汽车整车设计、和汽车电子控制系统开发的北京清能华通、从事汽车电驱动技术研发的精进公司、提供燃料电池产品研发的上海神力、提供锂电池的中信国安盟固利、以及提供混合动力驱动系统的伊顿公司等成立产业技术联盟,形成了产学研相结合的发展趋势。可以说,中国已经在纯电动汽车领域拥有较先进的国际水平,并已开始出口。从2005年开始出口“幸福使者”纯电动汽车到美国的天津清源电动车辆有限责任公司,2007年的国际市场订单已超过1000辆。

7 中国主要纯电动汽车技术对比

企业

车型

下线时间

一次充电续驶里程(km

最高车速km/h

充电时间

天津清源

“威乐”纯电动汽车

NA

230

120

NA

威姿纯电动汽车

NA

170

100

NA

幸福使者电动汽车

NA

80

50

NA

比亚迪

F3e纯电动车

2008

300 km

150

10分钟充70%

比亚迪e6

尚实验运行

预计2010

300Km

140-185

15-20分钟(80%

1-2小时(100%

长城汽车

长城精灵EV纯电动车

2008

180

130

NA

长城欧拉

20093月下线

140

65

10分钟可充足70%

东风

纯电动轿车(EQ7160EV

165

110

NA

万向集团

纯电动轿车

380

126

NA

奇瑞

S18纯电动汽车

2009216下线,暂不上市

120-150

120

0.5小时(80%

4-6小时完全充电

吉利

熊猫纯电动汽车

20089

80

65

5小时完全充电时间

1小时快速充电时间

中大青山

中大青山纯电动客车

20094

500

110

安凯

(奥运会示范车)

(电池+电容)纯电动公交车、客车

2009

130

4小时

雷博

(上海世博会专用车)

(电池+电容)纯电动公交车

2009

部分投入上海公交车使用

250

NA

4小时

南京依维柯

(与国家电网合作)

纯电动轻客

2009年量产

220

NA

NA

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理

8 国内主要纯电动客车示范运行及产业现状

生产企业

合作企业

技术水平

示范运行

产业化规划

安凯汽车

安凯客车同上海瑞华集团联手攻关动力系统总成的技术难题

国内最高水平的纯电动客车

200420台纯电动公交车北京示范运行;

200910辆纯电动豪华客车正式交付上海市政府;

作为“两会”、博鳌亚洲论坛、世界小姐大赛、亚太城市市长会议和赛事指定用车

2009年新能源客车达到批量化生产规模,2011年建成新能源客车整车生产线,2012年新能源客车产能达到3000

中通客车

北京理工大学合作开发

承担863计划奥运用电动客车项目的中通客车

5辆北京奥组委赛事运行指挥车

NA

北京京华客车

依托北理工纯电动客车技术平台生产制造整车,北京交通大学负责电池管理系统和智能调度系统研发

NA

50辆奥运电动车

批量生产

中大青山

利用中山大学汽车全承载车身技术,结合中大集团合作伙伴青山能源研究所的双锭一转电机、大容量动力电池及能源管理系统研发而成

电池、电机、控制器已获国家专利;一次充电续航里程500公里

20094月试制成功

江苏盐城、湖北襄樊2个基地建设,客车产业化战略已经成形

东风旅行车公司

自主研发

最高时速80km/h,一次充电续驶里程230公里;最大爬坡度大于20%;可快速充电

20068月十堰市公交线路一个月试验运行;

2009年洛阳市优先在城市和城际公交客运及重点风景名胜区、旅游区推广使用“东风天翼”纯电动客车

NA

上海雷博

上海雷博新能源汽车技术有限公司是由国家电网公司(上海电力公司)与上海瑞华(集团)有限公司合资组建的。

综合技术达到国内领先、国际先进水平的环保型(电池+电容)纯电动汽车;

获得27项国家发明和实用新型专利

上海市825路、20路、604路、980路、88路公交线示范运营

NA

南京依维柯

与国家电网合作

NA

NA

计划2009年量产

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理

燃料电池汽车领域,目前已有中科院大连化学物理研究所、上海神力科技公司、新源动力、清华大学、同济大学、武汉理工大学等科研院所和高科技企业研制出了各类燃料电池轿车和燃料电池客车,详见表9。但是大部分仍然处于技术研发与样车阶段,有上市计划的较少,详见表10

9 中国主要燃料电池汽车技术对比

企业

车型

时间

燃料电池堆功率(KW

使用燃料

最高车速

km/h

续驶里程

km

北京飞驰绿能电源技术有限公司

“京零一号”燃料电池轻型客车

2001

18

气态氢

80

165

上海燃料电池动力系统公司

春晖一号

2003

8.8

气态氢

50

80

东风电动车辆股份有限公司

EQ6700FCV 客车

2003

50

气态氢

85

/

清华大学(与上海神力合作)

清能一号

2005

65

气态氢

65

200

同济大学(与上汽合作)

超越三号

2006

50

气态氢

120

230

上海神力

神力一号客车

2007

100

气态氢

85

300

奇瑞

东方之子

2007

55

气态氢

/

/

上海大众

帕萨特

2008

100

气态氢

150

300

上海汽车

上海牌燃料电池车

2008

100

气态氢

150

300

北京现代

途胜

2008

80

气态氢

150

300

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理

10 国内主要汽车厂商已上市及拟上市的燃料电池汽车

企业名称

燃料电池汽车产品/品牌

年份

上汽集团

超越1号氢燃料电池车

2002

超越2号氢燃料电池车

2005

超越3号氢燃料电池车

2006

帕萨特领驭氢燃料电池车

2008

上海牌燃料电池车

2009

奇瑞汽车

东方之子fcv

2008

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理

5.3外资控制新能源汽车关键技术和零部件

从上述表格也能看出,目前中国自主品牌汽车厂商积极开发新能源汽车。2008年上半年,长安汽车、奇瑞和一汽分别发布了前期旨在服务北京奥运的杰勋混合动力、奇瑞A5混合动力和奔腾混合动力;200810月,比亚迪发布DM双模混合动力技术;20099月,奇瑞汽车向达沃斯论坛交付110辆节能与新能源车,其中A5BSG)混合动力车100辆作为示范运营出租车使用,10S18纯电动车用于示范运营;还有长安汽车集团与加拿大绿色电池生产商Electrovaya签署电动汽车合作协议,2009年底前30辆长安奔奔电动汽车投放加拿大市场。

但是,目前我国在某些关键技术和零部件方面仍然面临瓶颈。在电池领域,单体动力电池成组技术、模块化技术尚不成熟,没有成熟的电池管理系统。如果一节单体电池发生故障,整个电池组的性能将受到很大的影响。虽然已有一些企业涉足电池管理系统及其测试领域,但都处于起步阶段。以福田欧V混合动力客车为例,其锂电池电源管理的关键技术是由美国易登公司提供。而且,电动汽车动力电池系统上下游产业链由电池原材料、电池关键构件、单体电池、电池管理系统、电动汽车整车构成。整个动力电池的生产制造及其应用是个系统工程,需要上下游企业通力合作,以电池为核心,对材料、管理系统等提出要求,在技术上需要从材料、电池、管理系统、机械加工等多方面同时考虑。对于国内企业来说,即使已经攻克了单个零部件的技术研发,但是集成的难度相当大。发动机领域亦是如此。例如发动机电控系统,在混合动力模式下,既要减少燃料消耗和排放,又要保持驾驶乐趣,发动机控制从单一的内燃机控制变成了对动力系统中电动机和内燃机的组合控制,技术要求更高,已经在传统动力汽车领域核心技术落后于国际水平的国内企业大多较难独自完成开发。以奇瑞为例,其混合动力轿车A5的发动机电子控制器是由博世公司开发的,整车控制器是由英国里卡多公司开发的,还从美国江森自控公司采购了一部分镍氢电池。上汽混合动力汽车的发动机电子控制器是由联合汽车电子有限公司开发的,这是中联汽车电子有限公司与博世对半持股的合资公司,同时从江森自控购买锂电池。除此以外,在电池及其管理系统、电机、整车控制技术等混合动力的关键技术和零部件领域,国内企业对于大规模量产的生产一致性控制也存在问题。

与此同时,跨国公司在不断加速其中国新能源汽车布局,除了一些汽车合资企业计划生产电动汽车之外,众多零部件供应商也将中国列入其战略范围。例如2007年下半年在中国设立混合动力系统业务部门的博世公司,在2008年北京国际汽车展上展出了其混合动力系统,包括起动/停止系统、变速器控制、发动机管理、燃气切换、废气处理等,并开始为国内整车企业做一些匹配实验;已经在混合动力技术领域具有20多年开发经验、拥有较成熟混合动力技术和产品的德尔福公司,计划2009年开始在中国生产混合动力汽车的一些关键零部件,其苏州的电子产品工厂生产用于弱混和中混混合动力车型的产品,包括车载逆变器、DC/DC转换器、蓄电池、控制器和集成系统等关键零部件。

值得注意的是,国际上主流混合动力产品供应商目前的做法是将一些关键的零部件集成在一起,形成完整的系统打包出售,比如集成了电池组、电池管理系统、各种传感器的电池包,以及电机包等。德尔福的Power Box就是这种系统。如果中国企业采用了这些集成系统,那就意味着必须放弃原先自己研发的技术和产品。发展下去,中国新能源汽车势必最终仍将在关键技术和零部件方面受到外资企业的控制。

参考资料:

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[2] ConsumerReportsAuto Batteries Price Does Not Equal Performance,2006

[3] 罗兰贝格.中国汽车产业发展在当前金融危机下的机遇与挑战,2009

[4]腾讯财经.全球争夺新能源汽车标准制定权. http://finance.qq.com/a/20090706/000844.htm .(2009-07-06访问)

[5] 联合证券.谁能分享低碳经济下的汽车盛宴,2008.12.25

[6] 国金证券.磷酸铁锂PHEV 光芒四射的新能源汽车时代,2009.3.3

[7] 丁磊,李成学.电动车用永磁无刷电机转矩脉动的控制技术.电机技术,2009(1)

[8] 李文海,庞庆平,陈巧芝.开关磁阻电机驱动系统的发展及应用.节能技术,2009(1)

[9] 杨光,张家栋,梁裕国.电动汽车电机控制器控制系统一体化设计.交流技术与电力牵引,2007(2) 

[10] 褚文强,辜承林.电动车用轮毂电机研究现状与发展趋势.电机与控制应用,2007 (4)

[11] 魏学哲.影响电动汽车性能的关键因素解析电动汽车驱动系统.汽车电子,2006(6) 

[12] 闫大伟,陈世元.电动汽车驱动电机性能比较.汽车电器,2004(2) 

[13. 北京麦肯桥资讯有限公司.磷酸铁锂渐成锂离子电池材料发展主流.新材料产业,2008(11)

[14] 贝天宝.磷酸铁锂电池充电电路的设计及实验分析.机电工程技术,2008(12)

[15] 王忠,田文怀,李星国.锂离子电池锡基复合负极材料的研究进展.电源技术,2007(11)

(作者电子邮箱:yuzhu@libnet.sh.cn

 



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