纯电动汽车:中国新能源汽车发展的机遇与挑战
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作者: 林 程
电动汽车作为世界公认的汽车发展方向给中国带来了挑战,但同时也带来了机遇。从能源利用的角度而言,大中城市电网负荷平衡和储能技术有待突破,北京市电网峰谷负荷差已超过40%(上海更是达到60%),采用电动车辆夜间充电蓄能有效避免电能的二次回收消耗,提高了电网运行的效率。
节能减排已成为汽车行业的共识,但采用何种技术路线却引发了长期的争议。一般而言,实现汽车的节能减排有两种途径,第一,沿用传统动力系统,通过对发动机技术升级或采用代用燃料改善其排放并实现节油效果,如现在采用符合先进排放法规的发动机,天然气发动机等等。第二,采用新型动力系统,主要是指部分或全部采用电驱动方式,其中以燃料电池作为电源的电动汽车利用氢氧电化学反应发电技术,可实现零排放,但现阶段受到技术和产业瓶颈的制约,是面向未来的电动汽车技术;混合动力电动汽车引入电驱动技术与发动机配合实现节能减排,虽不能实现零排放,但产业化难度不高,但由于其应用效果对发动机技术依赖程度高,这恰恰是我国汽车工业的短板,实现自主创新难度大;纯电动汽车利用化学动力蓄电池作为车载电源,技术相对成熟,可实现零排放。我国早已是动力电池和驱动电机的制造大国和资源大国,在电动自行车和电瓶车产业积蓄了庞大的产业资源,锂资源和稀土资源作为纯电动汽车的战略资源在我国有足够的储量,使我国已经具备大力发展纯电动汽车的基础条件。相比之下,实现我国汽车节能减排战略,以纯电动汽车作为自主创新的突破口是有深厚基础的。
先期发展纯电动城市商用车符合我国国情
纯电动商用车是国际上并未大力投入进行研发的车型,但城市商用车(如公交车、环卫车等)具有定点定线运行、运力高效、耗能高、排放高等特点,符合纯电动汽车的使用特点和零排放优势,尤其城市商用车相当部分由政府调配或补贴,有利于产业化初期政府对新能源车的补贴和支持政策的实施。我国作为人口众多的发展中国家,公共交通是国家鼓励的出行工具,纯电动商用车有着广阔的市场,与乘用车相比商用车的吨功率低,对动力电池能量密度、放电倍率以及电机的功率密度、动态特性要求等重要参数要求不高,符合国内的技术能力现状,并且我国传统商用车在国外有较强的竞争力,基础较好,所以先期发展纯电动城市商用车符合我国国情,可以带动整个电动汽车整车及配套体系的进步。
经过10余年的研究攻关,我国纯电动商用车整车性能和技术水平明显提高,可靠性、安全性大幅度提高,形成系列电动商用车动力系统平台,安凯、京华、华德尼奥普兰,福田、申沃、金龙、中通等商用车型,获得一批国家新能源汽车产品公告,产业配套体系初步形成。
现阶段,纯电动汽车存在动力电池成本高、使用寿命短、续驶里程短、充电时间长等问题,制约了纯电动汽车大规模推广应用。经过多年的研究分析和实践,以北京理工大学为首的纯电动商用车团队提出并应用了一套完整的解决方案,电池快速更换、集中分箱充电技术和电池租赁是其中的关键,具有自主知识产权的电池快速更换系统能在5-8分钟之内完成整车全部动力电池的更换,和传统车加油的时间接近,大大提高了车辆的利用效率,车载电池数量减少;更换下来的电池在充电站集中充电,每1-2箱电池对应一部小型充电机,有效解决了整车充电对电池的损害,集中充电环境优越,由专业单位负责充电管理,大幅度延长电池使用寿命;整车企业不再负责电池的购买、集成和安装,仅仅生产无动力电池整车,标准化电池采用租赁方式提供给运营单位,按实际耗电量支付租赁费用,由于整车电耗费用仅为燃油费的1/4,按现有电池成本估算,在整车运行15-20万公里时,能收回电池成本,电池的寿命还有很大的提升余地,成本有很大的降低空间,国家对纯电动车还有较高的补贴,采用租赁方式前景广阔。该方案在北京奥运纯电动公交客车运营线上得到了很好的应用,上海世博会120台纯电动公交客车也将采用此方案投入运营,大连等其他示范城市也引进了该技术路线。
纯电动乘用车自主创新是我国汽车产业的机遇
和纯电动商用车相比,(中高速)纯电动乘用车具有技术含量高、产业规模庞大、覆盖个人用户、对社会影响大、是交通能源补充方式的革命、节能减排总量庞大等特点。如果能完成技术突破、实现大规模产业化将是汽车工业和交通领域的革命,影响极为深远。对像中国这样的汽车工业起步晚、自主技术薄弱的国家无疑是重大的机遇。和传统燃油车相比,纯电动乘用车具有以下技术优势:
零排放,低噪声;
能量补充费用仅为燃油车的1/5;
电机具有优越的力矩特性,更具驾驶乐趣;
可以充分发挥电机控制优势,实现车轮独立控制,提高整车性能;
具有用电优势,可车载更大功率的电器系统,构建舒适的驾驶乘用环境;
易于实施整车网络化控制,实现智能驾驶;
信息化程度更高,易于实现智能交通管理,提高出行效率。
与纯电动商用车相比乘用车技术面临更大挑战:
对电池要求高,应同时具有优良的能量特性和功率特性,能实现无损快充,寿命应更长。电池组布置难度大,环境适应性要求更高;
对电机要求高,应同时满足低速爬坡加速和长时间较高速行驶的能力(应大于90km/h),布置空间及环境要求更为苛刻;
对整车技术要求高,总体布置更为紧凑,控制策略更为复杂,舒适性和智能化程度要求高,安全性和可靠性实现难度大;
车身结构安全及轻量化更为重要和困难。
我国早在90年代就已经开展了纯电动乘用车的研究开发工作,在当时的技术条件下成功开发出纯电动乘用车样车,但由于当时缺乏政策环境和市场支持,整车研发停顿了一段时间,但基础研究并未中断,长期的积累为当前电动乘用车技术实现跨越式发展奠定了强大的基础。国内很多整车企业近年都推出了自己的纯电动乘用车型,如比亚迪E6,在深圳用于出租车试验运营。
北京理工大学近年申报了“新型双电机独立驱动桥”发明专利,该专利可以有效解决空间布置难题,适合装备独立悬架的电动汽车,减少传统汽车的电动化改型的难度;驱动系统结构采用双电机相向布置型式,双减速器成为单一总成,结构紧凑;在具备双电机独立驱动优点的同时,电机和减速器固定到车架(身)上,全部变为簧载质量,避免了轮毂电机驱动所带来的缺陷,有利于改善车辆的动力学性能;采用二级减速器,能有效减小传动部件尺寸,方便整车布置,且可以选用高速电机,降低电机质量和成本,并提高系统的可靠性;可以较为方便地在减速器中加入防滑装置,提高车辆在复杂路面的通过性,并可减少双电机协调控制的复杂程度;容易扩展为四轮独立驱动,充分发挥车轮的路面附着能力。该方案在保证车轮独立驱动优良的动力学性能基础上,更加平稳舒适,成本更低,更易于实现电动乘用车的迅速产业化。因此,该类驱动系统的研发和应用将成为车轮独立驱动电动乘用车的一个非常具有前景的解决方案。
在国家863和北京市科技项目的支持下,北京理工大学于2009年5月,成功研制了装备“双电机独立驱动装置”的纯电动乘用车样车。该样车装备新型磷酸铁锂电池和永磁同步电机、电动助力转向系统,实现了整车网络化控制,最高时速可以达到120km/h,续航里程超过200km,支持外部快速充电和车载220V充电模式,可以实现电池的快速更换,自主研发的整车控制策略可以满足整车的功能要求,达到了功能验证的目标,证明整车及驱动方案完全可行,在改造过程中对车身结构改变非常少,不影响整车结构性能,改造工作量不大,证明了方案对成熟燃油车型的电动化改造具有显著优势。2010年还基于双电机方案研制出小型纯电动轿车样车,整车重量不超过900千克,完全满足城市上下班的功能需求,并可以达到申请国家6万元财政补贴的技术要求,预测批量成本可以控制在十万以内,有非常好的市场前景。
综上所述,纯电动乘用车已被普遍认为是可以大力发展的新能源车型,近年动力电池、驱动电机技术的飞速进步为整车性能的大幅度提高奠定了基础。以日本为首的发达国家已经逐渐完成中高速纯电动乘用车的技术准备阶段,开始投放市场,国内与其相比存在一定差距。国内应把握纯电动乘用车的正确发展方向,抓住机遇自主创新,抓紧整车技术标准体系的建立,为电池电机等关键部件的突破和应用提供高水平的平台,加快纯电动乘用车关键部件的研制工作,形成可靠性好、效率高的系列部件产品及配套体系,为整车的产业化奠定基础。
纯电动商用车在污染问题比较严重的大中城市有着广阔的应用空间,能集中有效的解决传统燃油机动车的污染排放问题,对电池和电机技术要求符合国内部件的技术现状,同时便于基础设施建设和政府支持,可以作为先期发展的新能源车型。我国已开始形成完全自主的技术标准体系,积累了宝贵经验和技术基础。
纯电动乘用车预期规模巨大,是中国汽车工业的发展机遇,但(中高速)纯电动乘用车对部件要求高,我国面临着国外汽车跨国公司的巨大的压力和挑战,在和国外差距不是很大的情况下,应坚持走中国自己的技术路线,争取形成自主的标准体系,在政府支持下做大做强,避免重复传统汽车引进消化再引进的老路。
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