新能源汽车产业及其技术发展现状与展望.docx
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1、新能源汽车产业及其技术发展现状与展望发展新能源汽车、推进新能源汽车产业化,对解决传统燃油汽车高污染、高耗能、高排放问题具有重要意义。以新能源汽车为研究对象,从新能源汽车发展背景、整车和三电系统综合分析了中国新能源汽车目前的产业与技术发展现状;提出了中国新能源汽车目前存在基础设施建设尚不完善、电池回收利用率低、基础器件关键技术未掌握等问题,探讨了新能源汽车技术与产业未来的发展方向和规划。在当前环境污染和温室效应的背景下,新能源汽车由于其环保与节能的特点,受到了发达工业国家的广泛重视。中国作为世界上首批将新能源汽车作为战略发展产业的国家之一,已经成功引领了世界新能源发展的潮流。如图1所示,自201
2、5年起,中国新能源汽车销量连续7年位居世界第一,新能源汽车的产量也从2013年的1.8万辆跃升至2022年的近700万辆。随着国内新能源汽车的技术不断发展,新能源汽车产业扩张不断加速,配套产业逐步完善,规模持续扩大,综合竞争力明显地提升。图120132022年中国新能源汽车销量一、新能源汽车发展背景随着能源危机愈演愈烈,新能源取代传统化石燃料已经成为了一种不可避免的趋势。在2021年全国两会中,中国首次将“碳达峰、碳中和,写入政府工作报告中,明确指出中国要在2030年前达到二氧化碳排放峰值,力争在2060年前实现碳中和,实现全球碳排放承诺。但是目前中国仍处于工业化进程中,资源能源消耗总量和碳排
3、放总量仍处高位,绿色低碳的工业生产结构尚未有效形成,迫切需要对能源结构、产业结构进行改造与转型。而新能源汽车作为低碳环保的重要产品,对于中国汽车产业的转型升级、实现高质量发展,具有重要的指导意义和重要的推动作用。1、环境保护节能与环保是当今时代主题,节能减排和绿色可持续发展已成为当今社会发展的方向。随着人类工业化进程的推进,对能源的需求也越来越大,能源的过度消耗带来的资源枯竭和环境问题日益突出,能源问题已成为制约经济增长和社会发展的重要因素。现阶段,社会汽车保有量大,且大多数汽车仍在使用传统化石燃料,消耗了大量资源的同时也增加了碳排放。2021年全球各领域资源消耗与排放情况如图2所示。据统计,
4、汽车1年消耗的石油资源占据全球石油消耗总量的25.5乐公路汽车碳排放占交通领域碳排放总量的80%以上。解决汽车产业高资源消耗与高碳排放问题、发展新能源汽车、推进新型清洁能源与可再生能源的普及,在当今节能与环保的时代背景下极为重要。各领域使用石油占比交通领域碳排放占比汽车 煤油 农渔业 ,建筑与施工 用油 , 其他 化工轻油 水运与铁路公路铁路航空海运图22021年全球各领域资源消耗与排放状况2、产业升级中国正处于“后工业时代”的大发展阶段,大多数产业都在向着节能减排的方向迈进,对材料和能源产业的发展提出了更高的要求。但是,从能源结构来看,中国依然是全球第一大煤炭生产国、第二大石油消耗国,对传统
5、化石燃料依赖性依然很高,工业仍存在高消耗、高排放的问题,迫切需要产业革新。打破资源环境瓶颈的约束在于转变发展模式,汽车产业作为中国国民经济支柱产业之一,是调整产业结构和优化产业结构的主战场。促使汽车工业向电气化的方向转型升级,是有效降低碳排放、减少化石燃料依赖度,逐步实现碳中和及碳达峰的重要举措。新能源汽车作为中国七大战略性新兴产业之一,已成为汽车工业转型升级的重要推动者,是中国汽车产业发展的重要动力。二、新能源汽车产业发展现状1、整体产业概述在政府补贴与政策扶持的驱动下,中国新能源汽车销量连年增长,连续7年保持世界销量第一。随着新能源汽车产业的不断完善,政府新能源补贴不断下降,国家工业和信息
6、化部更是宣布在2023年1月1日起将取消对新能源汽车的补贴。新能源补贴不断退坡,在一定程度上对中国产业造成了消极影响,例如2019年中国新能源汽车销量增长率首次转为负数,直接引发了市场对新能源汽车“确定性”增长的担忧,并传导至二级市场。但随后1年,中国新能源汽车销量再度实现增长便彻底消除了这种担忧,也表明新能源汽车产业已经由补贴驱动转为市场驱动,进入了相对稳定的发展阶段。目前中国新能源汽车产业主要围绕着“三纵三横”政策发展,即以纯电动汽车、燃料电池汽车、插电式混合动力汽车为主要发展对象,以动力电池与管理系统、驱动电机与电力电子、网联化与智能化技术为关键研究技术,提高中国汽车产业创新能力,不断完
7、善中国新能源汽车产业结构。新能源汽车整体产业结构和一般的汽车产业结构相比要更加复杂,拥有数百个相关产业,其主要是在传统汽车行业的基础上扩展延伸出来的,从而诞生了一种新式的庞大产业链,如图3所示。新能源汽车产业链上游包括各类矿石以及稀土等材料生产企业,而中游产业链包括新能源汽车的核心零件加工以及整车部分,包括电控系统、电机系统以及动力电池等,下游产业链则包括各类新能源汽车等。EMH P4 mw T 0微MX 1 (一 MOLI 1I “】I /体Irz 标毒品.同*化.IiIM性.雷源依,1半标次品,技术和现模依, 定价权一会龄异化,产品创新能力依假,握有一定的零部件定价权图3新能源汽车产业链2
8、关键零部件产业现状中国新能源汽车生产能够实现完全国产化,与其关键零部件产业结构的不断完善与发展密不可分。新能源汽车技术的核心是电驱、电控和电池技术,只有突破这3大领域关键部件的技术关卡,才能生产具有核心竞争力的产品,实现新能源汽车的完全国产化。在动力电池产业,中国在世界电池市场中占据主流地位,单是宁德时代就占据了全球动力电池55.6%的市场份额。目前中国市场上主要为锂电池与燃料电池动力系统,其中锂电池占据主要地位。锂电池具备高能量密度、高安全性等特点,发展起步较早,产业已经较为成熟,已经形成了规范化、规模化的产业集群。锂电池主要包括钻酸锂、镒酸锂、三元锂以及磷酸铁锂等种类,其中三元锂和磷酸铁
9、锂分别凭靠能量密度高以及正极材料稳定性好、循环寿命高等特点占据了主要市场,并广泛应用于比亚迪、蔚来等多款车型。经过长时间发展,中国动力电池产业水平明显提升、电池成本逐渐下降,电池能量密度明显提升。目前中国三元锂电池主流产品能量密度已经达到250Whkg,远超行业要求的210Whkg,但磷酸铁锂电池目前大多数产品集中在160Whkg,距离行业标准180Wh/kg仍有一段距离。在电驱和电控产业,随着中国新能源汽车各个产业链的推进发展,电驱及电控系统产业逐渐成熟,开始由分立化向集成化、一体化发展。电驱及电控系统上流产业主要有功率转换芯片、传感器和控制软件等。据统计,2022年上半年中国乘用车电机控制
10、器装机量已达231.6万套,预计市场规模为80亿元左右。目前中国电控及电驱产业主要由以比亚迪为代表的整车生产商、博格华纳等外国强势企业以及近几年内崛起的上海电驱动、汇川技术等国内自主企业组成。国内由于芯片等基础器件的技术瓶颈,与国外企业还存在一定的差距,2021年就因为芯片短缺导致国内近150万辆汽车的生产需求无法被满足。但随着芯片国产化的趋势以及政府、企业等各界的努力,芯片生产技术有望突破,相信届时新能源汽车会再次迎来发展热潮。3、基础设施发展现状新能源汽车充电设施和加油站的功能一致,但在中国目前其规模与数量远低于加油站。中国电动汽车充电基础设施促进联盟最新数据显示,截至2022年7月,全国
11、充电设施累计达到398.0万台,各省市充电设施分布数目如图4所示,全国71.7%的充电桩分布在广东省、上海市、江苏省、浙江省、北京市、湖北省、山东省、安徽省、河南省、福建省等10个地区,7月全国充电总电量约21.9亿度。虽然中国充电基础设施数量逐年增长,在全国范围内不断普及扩张。但是,中国充电设施目前依然无法满足国内新能源汽车巨大的保有量,再加上新能源汽车销量连年增长,目前的基础充电设施远远不够。此外中国电动汽车基础设施存在分布不均衡的缺点,广东省、北京市等发达地区充电设施保有量远远高于国内发展相对滞后的区域。目前充电设施按照配电形式可分为直流充电桩和交流充电桩。直流充电桩与交流电网连接,采用
12、三相四线的形式输入交流电压,输出可调直流电,可以提供较大的输出电压和输出电流,满足高功率的充电要求,所以直流充电桩又被称为“快充”;交流充电桩直接与交流电网连接输出交流电,功率一般较小,充电速度相对较慢。3020100广东省上海市江苏省浙江省北京市湖北省山东省安徽省河南省福建省 地区图42022年国内各地区充电设施三、新能源汽车技术发展现状近年来,中国对新能源汽车行业的重视程度不断提升,新能源汽车已经进入了发展中的关键时刻,相关技术越来越成熟。新能源汽车发展关键技术如图5所示,主要包括整车技术、动力电池技术、电驱动系统技术、智能控制技术和燃料电池技术。每种技术部分目前都位于世界前列,并且还存在
13、一定的发展空间。图5新能源汽车关键技术1、整车技术就整车技术而言,整车质量对车辆续航里程和行驶制动等整车性能有非常大的影响。电动化、智能化、网联化的需求发展使得汽车质量有所提升,这对于车体及车体部件轻量化的要求越来越高,同时这也促使新能源汽车轻量化也变得更加迫切。在新能源汽车轻量化关键技术当中,车身轻量化和三电系统轻量化已经逐渐成为高校和企业关注的核心问题。新能源汽车车身轻量化的技术路径目前主要包括4个方面,即轻量化结构设计、车身刚度提升、高强度钢应用及先进成形工艺应用。随着技术进步,车身轻量化结构设计的仿真优化手段得到了快速提升,近些年安全功能评估(SeCUrefunctionevaluat
14、ion,SFE)、多学科设计优化(multidisciplinarydesignoptimization,MDO)等多学科优化设计的应用逐渐增多。从整车的碰撞性能以及成本等多方面角度来看,钢铝混合车身的应用逐步成为主流,例如特斯拉ModeI3、宝马ix3等,其车身用材比例如图6所示。特斯拉ModeI3用材比例宝马i3车身用材比例普通钢高强钢先进高强钢超高强钢热成形r*=铝合金其他图6钢铝混合车身用材比例示意纯电动汽车三电系统包括电池、电机和电控。其中三电系统质量占整车质量的25%40%,是整车质量最大的系统。三电系统轻量化技术研究一般是从集成化设计、电池壳体轻质材料应用、电机壳体轻质材料应用等
15、方面开展。最终目标是实现车身、底盘和三电系统的一体化和集成化设计。对于电池系统而言,动力电池包壳体的承载和性能要求较低。需要满足的要求有高强度、高硬度、低密度和低成本等。但是随着续驶里程的增加,动力电池的数量会逐渐增加,这导致了电池包整体的质量逐渐增加。因此,为了进一步提升电动汽车的行驶里程,减小电池系统对车辆动态性能和加速性能的影响,对电池外壳进行轻量化设计是至关重要的。Pan等提出了一种新能源汽车电池包外壳在负载条件下轻量化设计方案,该方案通过建立非线性有限元电池组外壳模型并开展模态实验进行验证。最后通过碰撞和挤压模拟实验验证了该方案优化的外壳模型具有10.4设的轻量化增益。2、动力电池技
16、术新能源汽车是汽车工业发展的重要方向之一,基于电化学储能的动力电池作为新能源汽车的核心部件之一,对于新能源汽车的性能、安全性和寿命有很大影响。在电动汽车领域,锂离子电池技术的先进性和在新兴市场的应用,已成为全球范围内的研发热点,因此锂离子电池势必将在电动汽车和新能源领域占据重要地位。动力电池技术日新月异,在动力电池续航里程、寿命以及电池安全方面,国内外都取得了一定的突破。在续航里程方面,东风公司自主研发的新款电池具有超长续航的能力。该电池的能量密度突破了230Whkg,续航里程突破IOookm。2022年举办的国轩高科第11届科技大会中指出,中国将能够量产360Wh/kg能量密度的三元半固态电
17、池。在电池寿命方面,Aiken等实验发现将双氟磺酰亚胺锂(LiFSl)作为电解质盐的电芯,可以有效减缓电池在极端工况下的容量衰减问题。该团队还指出,在特定使用工况下,新型电池的使用寿命高达100年之久。在电池安全方面,针对动力电池的研究也逐渐受到各大高校的重视,以“电池安全”为关键词在知网平台检索发现,2019年有关电池安全的文章仅有99篇,到了2022年,有关电池安全的文章已经上升到了139篇,增长了40%o从高校论文也可以看出中国在“热失控”“高温预警”等有关电池安全方面取得的重大突破。中国在锂离子动力电池专利数量方面取得较大优势。图7展示了20002021年锂离子动力电池专利分布,全球共
18、计申请相关专利19801件,其中中国大陆地区专利申请就高达15501件,全球其他地区专利申请4300件。比亚迪和宁德时代等中国公司,早在2003年就已经开始在锂离子动力电池领域投入大量的研发力量,布局大批的专利,极大地推动了锂离子动力电池技术的产业化发展。同时,2009年以后,全球相关专利的申请量呈现出爆发式增长,这与新能源汽车的大力发展息息相关,由于电动汽车发展,各大厂商都加大了对动力电池的研发力度,加快了相关领域的专利布局,锂离子电池技术的发展也由萌芽期逐渐进入了成长期。然而,动力电池受温度影响很大,如何确保动力电池在低温行驶过程中电化学性能不受影响是亟待解决的关键难题。赖玉军等从专利研发
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