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电动汽车发展现状及前景分析

随着全球范围内环境污染与能源紧缺形势的日益严峻,汽车电气化进程得到快速发展,加剧了传统零部件体系的变革,汽车产品朝电动化、智能化、网联化和共享化发展。这一趋势使得新的电气单元进入到汽车电气系统当中,不仅引入了新的制造工艺,同时也引发了新的挑战。

 

上汽大众汽车有限公司 高级经理张书桥

电动汽车发展现状

汽车行业正在经历着一场变革,新能源车汽车发展十分迅猛。在过去的5年中,我国新能源车销量的年增幅均超过30%,大幅超过汽车行业整体增速,2016年销量50.7 万辆,2017年销量77.7万辆,2018 年销量达到125.6万辆,其中,纯电动汽车占比接近80%。

电动汽车的蓬勃发展并不是偶然现象,各国利好政策是强大的助推器。其中,欧洲的政策推动最为明显。2019年6月,为了兑现在《巴黎协定》中做出的承诺,英国政府重新修订了《气候变化法案》,正式确定了该国到2050年实现温室气体“净零排放”的目标。目前,英国已成为第一个通过“净零排放”法的主要经济体,将清洁发展置于现代工业战略的核心。根据政府的说法,“净零排放”意味着任何排放都将通过计划来平衡,以抵消来自大气的等量温室气体。

2050年前实现“净零排放”,英国做得到吗

值得注意的是,电动汽车似乎已经成为英国建设“净零”城市的重要抓手。为实现“净零”目标,英国格拉斯哥市计划解决电动汽车的充电问题,并在5年内逐步淘汰排量最为严重的燃油公共汽车。而爱丁堡同样在交通领域上早有布局, 2018年,继吉利TX5电动出租车在挪威上市后,也开始在爱丁堡正式销售。英国气候变化委员会认为, 2024~2025年,纯电动汽车的成本将会接近汽油或柴油车成本。考虑到油价上升等因素,电动汽车在一些场景中的使用成本将远远低于传统燃油车,而且足以满足日常出行需要。因此,一旦电动汽车价格降低,车主确实会有转向零排放车辆如购买纯电动汽车的意愿。

在欧美发达国家纷纷公布燃油车禁售时间期限的同时,我国也将禁售燃油车时间表的研究工作提上了日程。近日,工信部发布了对《关于研究制定禁售燃油车时间表加快建设汽车强国的建议》的答复,明确指出,我国将支持有条件的地方建立燃油汽车禁行区试点,在取得成功的基础上,统筹研究制定燃油汽车退出时间表。

电动汽车的核心技术

区别于传统汽车,电动汽车的核心是“三电”技术,即电机、电池和电控技术。

电子控制系统的主要模块

电机按照结构原理分为直流电机、异步电机和同步电机。其中,异步电机具有价格低、易维护的特点,广泛用于目前面市的电动汽车产品中。相较于异步电机,永磁同步电机具有更高的效率和能量密度,但高昂的价格影响了它的普及。随着技术的革新和成本的降低,越来越多的电动汽车产品开始使用这种电机,典型的品牌有奥迪、大众以及蔚来汽车。

未来,汽车电机系统将朝着低成本、小型化和智能化的方向发展。随着永磁同步电机的成本降低和技术发展,它的应用将更加广泛。电驱动系统的集成化将使得整个系统拥有更轻的质量、更高的功率密度。而系统智能化的不断提升将提高整车的性能和智能化水平。

近年来,随着电子技术、计算机技术和信息技术的应用,汽车电控技术得到了长足的发展,尤其在控制精度、控制范围、智能化和网络化等多方面有了较大突破。汽车电控技术已成为衡量现代汽车工业发展水平的重要标志。

具有高集成度、高可靠性和高安全性的一体化控制器,集成化程度高,有益于电动汽车的总布置,有益于电动汽车的轻量化、标准化,有益于信息传输的实时性和可靠性;同时一体化控制器降低了传导干扰并进一步降低了整车故障率,增强了整车的安全性,大幅度降低了电动汽车的成本,促进了电动汽车市场的商业化。

未来,借助相关领域的技术发展和突破,电控系统将朝着集成化、智能化和网络化的方向发展。嵌入式系统、网络控制和数据总线技术的成熟,使汽车电子控制系统的集成成为汽车技术发展的必然趋势。而智能化传感技术和计算机技术的发展,加快了汽车的智能化进程。随着电控元件在汽车上越来越多的应用,车载电子设备间的数据通信变得越来越为重要。以分布式控制系统为基础构造的车载电子网络系统十分必要。

对于纯电动汽车来说,电池技术是其核心竞争力。近几年,我国动力电池市场经历了爆发式增长, 2018年国内新能源汽车销售约125万辆,动力电池装机量56.8 GW·h,同比增长56.88%。目前,动力电池主要分为3大体系,分别是磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和三元锂电池。其中,磷酸铁锂电池和锰酸锂电池凭借着较低的价格和稳定的性能大量应用于电动客车,市场份额呈现增长态势。在乘用车市场,由于政策的推动以及其应用场景,三元锂电池是绝对的主力产品和研发重点,凭借不断降低的成本和越来越高的能量密度,它将是未来动力电池的发展重点。

电池产品分析及材料分类

在三元锂电池产品中,方形电池、圆柱形电池以及软包电池是当前主要的技术路线。以特斯拉为代表的企业一直使用松下的圆柱形电池。在过去的几年中,能量密度有了很大的提升。而方形电池凭借其单体能量高、成组一致性难度低的优势成为国内龙头企业的主要技术路线,占据当前市场主要地位。软包电池具有三者中最高的能量密度,但受制于技术和成本因素,目前的市场份额不高,随着固态电池技术的突破,软包电池作为固态电池的理想形态,未来将会有更大的发展空间。

电动汽车制造工艺

在制造工艺与生产装备上,电动汽车与传统汽车即有传承也存在着差异,这主要是由于电动汽车采用了新的动力来源和驱动系统以及相应的控制系统。

电动汽车动力总成的关键制造技术主要体现在电池系统、电机系统以及电控系统的制造上,另外还涉及高效方便的充电设施的制造与安装等。相较传统汽车,电动汽车总装工艺的变化最为突出:电机取代了发动机,此外还要安装电池、电控装置和高压线束等新增零部件。在整车检测线上,电动汽车新增加了电驱动系统及高压电系统的检测等内容,加强了对电性能和电安全性的检测。

总装中需安排电池、电动机、电控装置和高压线束等新增零部件的装配

在电动汽车中,电机驱动系统涉及到的电机、控制系统、机械减速及传动装置等部件的制造工艺成为行业关注的热点。

1. 差速器壳体

差速器是电动汽车中的重要部件,体积小,结构复杂,加工精度要求较高,仍然采用传统的机械加工工艺。

2. 机械减速及传动装置

机械减速及传动装置涉及到同步衬套、齿轮和差速器壳体等变化的生产工艺,主要涉及磨削、滚齿及焊接等加工工艺。

电机转子轴制造系统

3. 电机

电机涉及到的零件主要有转子盖、转子等,变化的工艺有感应淬火、硬加工及内齿轮控制等。目前,汽车电机已成为整车厂投资的热点。

电池模组制造

4. 电池 PACK线

目前,大部分车企都在计划自建电池工厂,生产电池包,智能化动力电池工厂的建设在国内外掀起热潮。

动力电池组装自动化生产主要包括分选配组工艺、自动焊接工艺、半成品组装工艺、老化测试工艺、PACK检测工艺以及PACK包装工艺。

电池包装配流程

电动汽车的安全问题

将续航里程视为发展的主要方向,而忽视安全问题,是导致我国电动汽车事故频发的主要原因之一。电动汽车事故频发,引起了有关部门的重视。国家市场监管总局发布的《关于2018年全国汽车安全与召回状况的通告》显示,2018 年,依托国家车辆事故深度调查体系和缺陷信息收集系统,组织开展新能源汽车缺陷调查3起,会同相关部门开展火灾事故现场调查5次,督促7家生产企业实施召回,涉及33个车型的12.14万缺陷车辆。缺陷原因主要为电控、机械、电气及电池系统故障。

总结影响电动汽车的安全主要有四大因素:

1. 碰撞

电动汽车发生碰撞,动力电池有可能因外力影响发生破损,导致内部电芯发生变形而短路,不断释放热量引发起火。

2. 涉水

电动汽车涉水可能引发外部短路,由于电池通常装配在底盘处,车辆频繁涉水可能会引起电池接口短路等情况发生。

3. 电控系统故障

电控系统主要是保障动力电池的安全运行,其一旦出现故障极有可能发生过度充电或放电等异常情况。

4. 高温

外界高温对电池的影响非常重要。车辆行驶或放置过程中,地面辐射的热量被电池包吸收,散热系统不到位就会造成电池短路发生燃烧。

此外,在电动汽车的制造过程中,也存在着不同于传统汽车的安全隐患。例如,机器人的大规模运用极易导致短路、戳破电池模组等情况发生,人工装配时需要注意绝缘保护避免高电压伤人。

绿色可持续发展

电动汽车的健康发展需要高安全、低成本且可回收的电池支撑。从全生命周期考虑,动力电池的维修保养、多层级利用和回收是实现其经济价值的重要途径。

德国大众希望在2025年成为全球电动汽车的领军企业,销售收入提高6%,电池研发也将成为德国大众的关注重点之一,进行集中研发,并力争在2025年为其纯电动车配备有150 GW·h的电池。从长远来看,德国大众希望回收97%的电池组原材料,而如今这一比例约为 53%。

目前,我国的电池回收法律法规也已经出台,建立回收点,建立生产责任延伸制,鼓励回收优先梯级利用。随着电动汽车销量的大幅增长,动力电池的装机量快速攀升,未来3年电动汽车的电池将进入规模化退役。国家出台政策鼓励优先梯级利用,梯级利用市场潜力巨大。同时,我国的废旧电池再生利用行业已有一定规模,并实现产业化。