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弯道超车这一次或许是真的

更新时间:2020-02-14 18:45点击:

  机遇在于,和信息产业的摩尔定律如出一辙,目前全球汽车工业界,传统内燃机的研发基本停滞,智能网联和新能源成为新一代研发投入的重头,并且全世界都基本处于同一起跑线。

  无奈的是,由于市场换技术策略的失败,中国的近代汽车工业发展有苦难言。而抛弃了内燃机、发动机等“卡脖子”技术的新能源车,用电池和电机就可以驱动,因而被我国寄予厚望,电动汽车在政策驱动下无论是技术还是市场都强势增长。

  电池方面,国内已经具备完整的产业链,宁德时代、比亚迪等十分强势。相比而言,电机和电控则困难得多,核心零部件难以量产的问题如鲠在喉。

  国内新能源汽车很大程度上是由政策驱动发展的产业,但如今正面临“资质审查”和“取消补贴”的暴风雨。长远来看,这是好事。脆弱的繁荣一碰就碎,只有优胜劣汰,才能让真正具备核心技术和竞争力的企业拥抱时代。

  十多年时间,在政策驱动下,无论是市场还是技术积累,中国的新能源汽车都有了一定影响力。产销量已经连续三年位居世界首位,根据2018年全球新能源乘用车销量数据,比亚迪、北汽新能源紧随特斯拉排名全球第二和第三,且在市场份额上,中国品牌占据49%。有着新能源汽车心脏之称的电池,也已经形成完整的产业链,并且销量全球第一。

  一百多年来,虽然燃油车占据了主流,但各种类型的新能源汽车层出不穷。如今,对于新能源汽车的概念,却仍莫衷一是。

  一般来说,不全部采用燃油作为动力来源,采用了新型车载动力装置和清洁能源的汽车,都可以称为新能源汽车。除了我们所熟知的纯电动、混合动力汽车外,还包括氢能源等代用燃料汽车。纯电动作为我国选择的最主要技术路线,已成为我国新能源汽车的主流。

  混合动力汽车中又有轻混动、油电混动、插电混动和增程式等多种类型。轻混动是在内燃机驱动的车辆中添加电动传动系统组件,将原本的12V电压提升4倍,这样就能够轻松带动更高功率的车载用电设备,在发动机熄火状态下,转向机、起动机、空调等大功率用电设备还能够继续保持工作,优化了油耗和排放。而油电混动是在燃油机的基础上又增加了一台或多台驱动电机,不但可以辅助发动机产生更强的动力,而且还能够在低速或匀速等固定工况下使用电动机独立驱动车辆,节油效果明显。轻混动和油电混动严格意义上只是对燃油车进行了电气化改造,只能算是节能车,不是新能源汽车。

  插电混动,其实就是有两套驱动系统:燃油驱动系统和电力驱动系统。插混是在油混的基础上,配备了容量更大的动力电池,并且增加了外接充电功能,和纯电动车最接近。

  至于增程式电动汽车,它和纯电动汽车动力驱动方式一样,都是电机作为唯一驱动方式,但增程式多了一个发电机。当电池容量降低到一定限定值时,就可以触发增程器工作,燃油发电给动力电池进行充电或直接驱动电机。

  事实上,在很多专家看来,新能源汽车和节能并不能划等号。尤其是一些电池容量大的长里程电动车和混动车,往往重量大幅增加,虽然耗油少,甚至不耗油了,但耗电量却大幅增加。考虑到我国电力主要靠烧煤,和燃油车相比,节能减排只是“皇帝的新衣”,因此业内对新能源车的质疑一度甚嚣尘上。

  但在上海交通大学汽车工程研究院副院长殷承良看来,这样的观点比较片面、主观、臆断,“没有经过实际调研”。新能源车虽然很难做到绝对节能,但作为新生事物,不应该横向和发展了近百年的燃油车比较,它有着自己的发展轨迹。

  就大家最关注的电力来源来看,我国火电行业无论是发电效率还是污染处理都取得了长足进步。更何况,电力行业和新能源汽车本来就是两个不同的行业。殷承良认为,纯电动车已经完全避免了氮氧化物等污染物的排放,温室气体由于发电技术的发展也在不断降低,这已经是巨大的进步了。“退一万步,从国家能源安全的角度来说,发展不依靠化石能源的新能源汽车势在必行。”

  对此,也不是没有考量。“氢能源汽车绝对清洁,如果倒退20年,那我肯定赞成发展氢能源,但历史进程不可逆,我们已经没有选择权了。”在他看来,这些年我国围绕电动汽车产业布局投入很大,而氢能源要想像电一样建成覆盖全国的能源供给体系,需要从制备、储能、输送、配送、注氢等一系列环节开始投入,不但面临很多技术难题,需要的资金也难以想象,没有哪个国家有能力可以同时投资建立多个能源体系。“技术本身没有高低,但实际落地要因地制宜。”

  众所周知,燃油车中的发动机和变速箱技术多被国外巨头垄断,而新能源汽车的核心技术由发动机和变速箱转变成了三电(电池、电机、电控)技术。

  殷承良介绍说,早在1881年,法国人古斯塔夫·特鲁夫就发明了世界上第一辆电动车,此后电动汽车发展起起伏伏到如今的第三轮革命,而限制其发展的根本原因就是电池容量不足导致续航里程短。

  动力电池的关键在电芯,电芯最重要的材料便是正负极、隔膜、电解液。新能源汽车动力电池是非常“年轻”的产品,1996年通用推出EV-1采用的是铅酸电池,它是现代电动汽车架构的雏形,从铅酸电池到日系混动的镍氢电池,再到现在流行的锂电池,也才20多年。但进化过程中,电池的能量密度不断提高,电动车续航里程也随之大幅增加。

  目前,“三电系统”要占据一台纯电动汽车70%的制造成本,而电池组及下属控制系统(BMS)占据了整车成本的45%。可以说,电池是目前电动汽车最核心的领域。值得自豪的是,我国在这一领域发展很快,掌握了很多核心技术,并且有着完整的产业链。2018年全球动力电池装机量排行榜中,前三名分别为宁德时代、松下、比亚迪。在中国的动力电池市场,宁德时代和比亚迪两家,基本上已经占到了整体出货量的65%。

  不过,虽然很多跨国车企没有自己的电芯,但是它们却坚持自己设计生产电池组件与管理系统,这是为了加强动力电池的核心竞争力。即使不采用这家的电芯,它们可以换个电芯品牌照样能够设计电池组,核心技术还是掌握在自己手里。

  锂离子电池因正极材料不同也有不同的细分种类,其中磷酸铁锂和三元锂应用最多,两者各有优劣。和磷酸铁锂相比,三元锂电池虽然容量大、续航长、能量密度高,但安全性能和寿命两个关键指标则相对不足。

  在现有电池技术的基础之下,安全与能量密度是一道选择题。如果对能量密度和续航里程有过高的追求,那么,安全就要被“牺牲”。过去一年,三元锂电池在整体动力电池出货量的占比中,已经达到了58.2%,一举超越磷酸铁锂,成为最大的细分市场。

  “安全问题再强调也不为过。”殷承良表示,他曾计算过,一辆长续航的电动车电池充满电的能量相当于55斤爆炸释放的能量。他也不止一次在实验中见过这类电池的起火爆炸,“非常恐怖。”据不完全统计,截至8月,2019年已经有20起新能源汽车起火事件发生。

  虽然燃油车也时常发生起火安全事故,但关键在于燃油车的着火是能够找到规律的,而动力电池系统的电解液与助燃剂氧气(正极材料高温分解)和火源(内短路、过充)被密封在同一个容器环境里,安全性不确定。

  “长期来看,能量密度(决定续航)、功率密度(决定充电速度)和安全性依然是未来动力电池需要解决的问题。”殷承良说,三元锂虽然是这一代电池技术的主流,但下一代的技术路线目前还未确定,可能是日本在研究的固态电池,也可能是锂硫电池或是锂空气电池。

  除了成本、续航和安全性等问题,随着最早进入中国市场的一批新能源汽车进入淘汰周期,动力电池迎来了“退役潮”,另一个环保问题正在袭来——报废的电池如何处理?

  有研究报告指出,到2020年,中国将产生约24万吨的退役锂离子电池,2022年将产生53万吨退役锂离子电池。据了解,动力电池回收处理目前主要分为梯次利用和拆解回收两种方式。梯次利用指把使用过的大功率电池,经过处理和检验后供小功率使用;拆解回收则是对报废电池通过化学方法进行拆解等处理,对电芯中的金属元素等进行原料回收再利用。

  电机由三部分组成:定子、转子、壳体,电机技术的关键点在定子、转子。转子即新能源汽车的主驱动电机,它承担了与新能源汽车运动相关的所有功能。新能源汽车的电机有正转和反转,正转即为向前行驶,反转即为倒车。

  “虽然传统燃油车也有电机,但和新能源汽车的电机是两回事。”华域电动技术中心总监李永兵说,新能源汽车的电机取代了燃油车的变速箱,是汽车的执行单位,相当于人体的骨骼和肌肉,其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标。此外,电机的能耗直接决定了固定电池容量情况下的续航里程。

  因此,驱动电机要有更高的能量密度,实现轻量化、低成本,适应有限的车内空间,要有能量回馈能力,降低整车能耗。同时,要具备高速宽调速和低速大扭矩,以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能。

  70%的“三电”成本,其中电池就占了45%,而电机和电控总共只占25%。相比电池技术的升级换代,电机与电控技术目前在市场中被重视的程度不够,成长速度就要缓慢很多,技术的复杂程度以及对于成本的权衡,都在让后者不具备像电池那样急迫的刚性需求,而技术的同质化以及倾向于成本控制,成为了当前电机技术市场的现状。

  目前,新能源汽车所使用的电机为永磁同步电机、交流异步电机。市场应用上以永磁同步电机为主,即便之前坚持使用交流异步电机的特斯拉,在最新车型Model3上也改为使用永磁同步电机。

  交流异步电机是指转子比定子旋转稍慢,转差在转子导体上产生电流。技术上,保持稳定的磁场转动和更高的电磁转换效率是难点,但反之在成本控制上,交流异步电机可以使用更易获取的铝和铜,成本相对更低。

  而永磁同步电机就是在转子中加入了永磁体来强化转子性能,并与定子在转速同步的形态下形成电流,在转换效率和稳定性上更高,且没有励磁损耗和散热问题,体积比同功率的异步电机小15%以上,因此使得汽车的续航能力更强,这也是多数车企选用永磁电机的主要原因之一。但因为需要永磁体,其中最关键的是“钕”稀土材料在获取途径和采购价格上也更难控制。

  目前,永磁同步电机主要应用于体积小,且速度、操控性能要求较高的电动乘用车领域,部分中小型客车亦开始尝试使用永磁电机作为驱动源。永磁无刷直流电机则一般在小功率电动汽车、低速电动车领域应用较为广泛。出于续航和成本考虑,未来小型化、高效率以及集成式将成为新能源汽车电机发展的重要方向。

  相比动力电池在国内已经初步建立起研发技术体系,国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池,长期以来国外电机企业在高端电机领域处于主导地位,包括专业汽车零部件供应商,如采埃孚、大陆、博世国际汽车供应商巨头。台湾富田电机是特斯拉车用电机的独家供应商,并向宝马MiniE车型供应交流电机的定子与转子硅钢片。

  虽然国内不少整车厂都可以自己生产电机,但相比国外几十年乃至上百年的技术积累,以及很早开始布局的产业标准,国内因为新能源汽车配套才仓促发展的电机产业,很多都是由传统工业电机产品转型而来,产品关键性能还不足以和日韩顶尖产品相媲美。从电机转速来看,国内驱动电机可达到12000rpm,与国际14000-16000rpm仍有一定差距。在高性能创新结构电机的开发上,例如矩形道题、分段道题、定子铁芯嵌入和冷却技术等方面,我国相关企业还处于起步阶段。

  就像发动机与变速箱的配合一样,在电池容量基础的背后,电控与电机能否达到最佳的协作状态,将对车辆的性能、电耗以及机械品质起到决定性的影响。简单来说,电机参数决定了一台纯电动汽车的动力水平和效率,而电控则是控制车辆动力输出和平衡电耗的总控制台,“电池像是一块‘好的食材’,而如何物尽其用,并且做出最好的味道,电控就是那位‘大厨’。”

  电控技术不是因新能源汽车而出现的,在传统燃油车上,电子控制系统(ECU)也同样重要,直接负责车辆的信号接收、分析以及作出指令判断。而这项技术在应用到新能源汽车上后,增加了电池组、驱动电机、变速箱(减速器)、动能回收系统等,整车电子控制系统需要承担的责任也将更加复杂,传统燃油车上使用的“单一电子控制器”目前也变成了“车辆中央电子控制器”,电气化架构也因为电控系统的模块增多而成为一家车企核心的技术手段。

  作为整台车的总控制台,电控系统主要包含整车控制器、电机控制器、电池管理系统等。整车控制器主要是采集油门、制动踏板等各种信号,并作出相应判断与给出指令,是控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件。作为电动汽车核心零部件,车企大多自己研发生产整车控制器及系统设计,国内诸如比亚迪、长安、上汽、宇通、金龙等企业均为自己配套。进入电机电控领域的第三方企业中,以联合电子、巨一自动化和上海电驱动为首。

  电机控制器顾名思义就是控制驱动电机的,主要是接收整车控制器传送的控制信息,进而对驱动电机的转速、转矩和转向进行控制,并可同时对动力电池的输出进行相应控制;电池管理系统相比更加年轻,主要功能是电池物理参数实时监测、在线诊断与预警、充放电与预充控制、均衡管理和热管理等。

  目前电池以及电机系统在全球范围内有了成熟的供应体系,但电控从供应链端开始没有一家能够提供打包式的电控解决方案。有分析认为,整个电机、电控市场仍处于未定型的竞争格局,尚无任何企业对市场形成统治性优势,转型企业、新兴企业均有机会在市场中脱颖而出。

  但不得不提的是,在核心零部件方面自主化程度还很低。作为电控核心模块,IGBT模块在新能源汽车驱动中作为大功率高频率开关使用,对各项性能指标要求极高,对可靠性要求更严格,其成本占整个控制器成本的40%-50%,占到新能源整车成本的10%。大陆现在的IGBT等功率元器件90%依赖进口,进口替代空间巨大。日德企业称霸全球,日系方面,三菱及富士等日系企业实力强劲,德系的英飞凌也是全球IGBT龙头企业之一。

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