第1章　新能源汽車基礎(chǔ)

1.1　新能源汽車的發(fā)展

1.1.1　新能源汽車的發(fā)展歷史

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，從美國(guó)人托馬斯制造出第一輛用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車開始，到1899年5月世界首輛車速超過100km/h的電動(dòng)汽車“Jamais Contente（永不滿足號(hào)）”的出現(xiàn)，電動(dòng)汽車進(jìn)入商業(yè)化階段。英國(guó)、法國(guó)和美國(guó)先后涌現(xiàn)了一批著名的電動(dòng)汽車制造公司，如最早的電動(dòng)汽車制造廠Morris和Salom。1830年～1900年，匈牙利、美國(guó)、荷蘭、英國(guó)、法國(guó)、奧地利和德國(guó)，都有人曾制造出電動(dòng)汽車。到1912年，美國(guó)約有34000輛注冊(cè)的電動(dòng)汽車，幾乎涵蓋了各種車型。這一時(shí)期也成為早期電動(dòng)汽車發(fā)展的黃金時(shí)期。

從1886年內(nèi)燃機(jī)開始出現(xiàn)，到內(nèi)燃機(jī)大規(guī)模進(jìn)入汽車市場(chǎng)，讓電動(dòng)汽車的發(fā)展遭受了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。而Ford公司大規(guī)模生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，使汽車價(jià)格降低，更加速了電動(dòng)汽車的消失。因此從20世紀(jì)30～60年代，電動(dòng)汽車步入冬眠期。

20世紀(jì)70年代初蔓延全球的中東石油危機(jī)爆發(fā)，讓內(nèi)燃機(jī)市場(chǎng)受到?jīng)_擊，從而使電動(dòng)汽車重新進(jìn)入各大廠家視線，歐洲、亞洲的各個(gè)國(guó)家投入大量的人力物力再次重新致力于電動(dòng)汽車的開發(fā)和研究，美國(guó)三大汽車制造商通用、福特和克萊斯勒都開發(fā)了相應(yīng)的電動(dòng)汽車，1991年12月寶馬公司在法蘭克福車展上推出了E1J電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車的春天又一次到來。

從20世紀(jì)90年代開始，在能源和環(huán)境的雙重壓力下，電動(dòng)汽車的研究開發(fā)再次進(jìn)入一個(gè)活躍期。這一時(shí)段世界各大汽車制造商紛紛推出各自的電動(dòng)汽車。在美國(guó)，通用、福特、特斯拉等汽車公司，在電動(dòng)汽車的發(fā)展中起著非常重要的作用。在日本，幾乎所有的汽車生產(chǎn)商，如豐田、日產(chǎn)、馬自達(dá)、三菱、鈴木、大發(fā)、五十菱等汽車公司都制定了各自的商業(yè)化電動(dòng)汽車發(fā)展規(guī)劃。歐洲的許多國(guó)家，尤其是法國(guó)、德國(guó)、意大利和英國(guó)都紛紛進(jìn)入電動(dòng)汽車市場(chǎng)，其中活躍的汽車公司有雪鐵龍、雷諾、寶馬、奔馳、奧迪、大眾、菲亞特等。

日產(chǎn)公司于1947年發(fā)布了其研發(fā)的第一款電動(dòng)汽車。在此之后，相繼發(fā)布了多款電動(dòng)汽車，而聆風(fēng)（LEAF）（圖1-1-1）作為日產(chǎn)公司推行的電動(dòng)汽車專項(xiàng)產(chǎn)品計(jì)劃，于2012年12月在美國(guó)和日本同步上市。該車在鋰離子動(dòng)力電池的支持下，一次充電可行駛160km。

除了日本的汽車制造商在研發(fā)和銷售電動(dòng)汽車外，美國(guó)各大汽車制造商也紛紛推出了各自的電動(dòng)汽車。美國(guó)通用汽車公司從1916年就開始了電動(dòng)汽車的研發(fā)，并在2012年發(fā)布了雪佛蘭Spak EV純電動(dòng)汽車。福特汽車公司也于20世紀(jì)60年代發(fā)布了第一輛電動(dòng)汽車Comuta，其后，于20世紀(jì)60年代后期開始，相繼研發(fā)了Cortina商用電動(dòng)汽車及Fiesta、Escort和ETX型電動(dòng)汽車等多款電動(dòng)汽車。

特斯拉（Tesla）汽車公司2003年成立于美國(guó)加利福尼亞州，是以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售純電動(dòng)汽車為主的公司，于2008年推出第一款純電動(dòng)豪華跑車Roadster，2012年又推出了Model S型（圖1-1-2）純電動(dòng)汽車。

在歐洲，意大利菲亞特汽車公司也是較早從事電動(dòng)汽車研發(fā)的企業(yè)，在1974年研發(fā)了第一輛試驗(yàn)性電動(dòng)汽車X1/23，1990年又推出城市用實(shí)用型電動(dòng)汽車Panda Elettra。20世紀(jì)90年代，菲亞特汽車公司又陸續(xù)推出了Cinquecento Elettra電動(dòng)客車、Ducato Elettra電動(dòng)貨車、兩座電動(dòng)汽車Zic和四座電動(dòng)汽車Seicento Elettra等。

德國(guó)寶馬汽車公司在1989年推出了它的新一代電動(dòng)汽車E30E，1991年研制出改進(jìn)的電動(dòng)汽車E36E，同年正式推出了專門設(shè)計(jì)的兩門四座電動(dòng)汽車E1，1992年又推出四門四座電動(dòng)汽車E2。2013年底，BMW i3純電動(dòng)汽車正式售賣；量產(chǎn)版的BMW i3輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)250N·m，0～100km/h加速時(shí)間少于8s，最高車速為150km/h，由一組高性能可充電的220kW·h鋰離子動(dòng)力電池組提供電能。

法國(guó)雪鐵龍汽車公司在20世紀(jì)90年代也開始發(fā)展電動(dòng)汽車，以適應(yīng)環(huán)保和節(jié)能要求。在1990年，其投放市場(chǎng)的是Peugeot106和Citroen ax電動(dòng)轎車，隨后又推出了Peugeot lon和Citroen Citela等。

國(guó)內(nèi)各大汽車生產(chǎn)廠家也紛紛踏進(jìn)電動(dòng)汽車領(lǐng)域。目前，比亞迪新能源策略為雙驅(qū)戰(zhàn)略，即公共交通和個(gè)人交通全面發(fā)力。公共交通領(lǐng)域推廣比亞迪自主研發(fā)的電動(dòng)大巴K9，個(gè)人市場(chǎng)領(lǐng)域推廣插電式混合動(dòng)力車。其中，比亞迪K9大巴已經(jīng)在國(guó)內(nèi)主要城市寶雞、長(zhǎng)沙、西安以及英國(guó)、荷蘭、哥倫比亞等國(guó)家進(jìn)行了市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)。2015年比亞迪還推出了四款新能源汽車，其中比亞迪唐（圖1-1-3）在2015年1月20日上市，而之后比亞迪宋、元也陸續(xù)上市，其中宋和元還同步推出了燃油版。

深圳比亞迪戴姆勒新技術(shù)有限公司（騰勢(shì)汽車）成立于2010年，公司專注于純電動(dòng)汽車的生產(chǎn)，其中汽車動(dòng)力核心技術(shù)由比亞迪提供，車身技術(shù)由奔馳提供，合資公司的經(jīng)營(yíng)范圍主要包括設(shè)計(jì)研究和開發(fā)乘用車。

上海汽車集團(tuán)股份有限公司在戰(zhàn)略上非常重視新能源汽車市場(chǎng)。2014年9月，其舉行了“新能源汽車萬里行”的推廣活動(dòng)。2015年上汽集團(tuán)開拓了十幾個(gè)新能源汽車市場(chǎng)，就北京市場(chǎng)而言，加大了純電動(dòng)汽車的推廣。此外，2016年推出了新的插電式混合動(dòng)力車型，2018年還推出了純電動(dòng)汽車，其中包括SUV車型。

北京新能源汽車股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱北汽新能源），是一家以環(huán)保乘用車為主要經(jīng)營(yíng)范圍的新能源科技公司。成立于2009年，經(jīng)過4年多的發(fā)展積累，北汽新能源已掌握了整車系統(tǒng)集成與匹配、整車控制系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三大關(guān)鍵核心技術(shù)，旗下EC180、EU260、EX260、EV160、EH300、物流車等多款產(chǎn)品已投入市場(chǎng)或示范運(yùn)營(yíng)。目前，北汽新能源已與大洋電機(jī)、普萊德蓄電池、愛思開蓄電池等多家公司展開了戰(zhàn)略合作，并與美國(guó)Atieva公司簽訂了股權(quán)認(rèn)購(gòu)協(xié)議，成為后者的第一大股東。

1.1.2　新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

目前在車用動(dòng)力源方面，主要有四種技術(shù)路線：鋰離子電池、氫燃料電池、超級(jí)電容器和鋁空氣電池。其中鋰離子電池、氫燃料電池和超級(jí)電容器得到了廣泛的應(yīng)用，而鋁空氣電池尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。能源補(bǔ)給方面，鋰離子電池、超級(jí)電容器適用于純電動(dòng)汽車，但是需要外部充電，而氫燃料電池則需要外部氫氣加注，鋁空氣電池則需要補(bǔ)充鋁板和電解液。就目前情況來看，鋰離子電池在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍會(huì)占據(jù)主要發(fā)展空間。

就鋰離子電池而言，目前，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池以及鈦酸鋰電池在電動(dòng)車領(lǐng)域都有應(yīng)用。由于三元鋰電池能量密度高、續(xù)駛里程相對(duì)較長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)車企乘用車紛紛轉(zhuǎn)向使用三元鋰電池，包括北汽（北京汽車集團(tuán)有限公司）、比亞迪、江淮等。但三元鋰電池卻存在安全性差、耐高溫性差、壽命短等缺點(diǎn)。

相比三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池由于安全性能穩(wěn)定、高溫性能好、重量輕等優(yōu)勢(shì)，越來越多地活躍在電動(dòng)客車市場(chǎng)。但因其低溫性能差、正極材料振實(shí)密度小等缺陷，在微型電池方面不具有優(yōu)勢(shì)。鈦酸鋰電池是鋰離子電池中壽命最長(zhǎng)、安全性最高的電池。論生命周期，普通鋰離子電池為1000～2000次循環(huán)，鈦酸鋰電池則是3萬次循環(huán)，是前者的15～30倍。但是這種材料的電池有一種天然的缺憾，能量密度偏低、容量小。日前正在研究通過鈦酸鋰電池和燃料電池的結(jié)合，以解決新能源汽車?yán)m(xù)駛里程短的難題。

當(dāng)前，日本在鋰離子電池領(lǐng)域居技術(shù)領(lǐng)先地位，已制訂至2030年發(fā)展規(guī)劃，系統(tǒng)地安排研發(fā)課題，以維持長(zhǎng)期的領(lǐng)先地位，松下、NEC、索尼等著名公司都建有大規(guī)模鋰離子電池生產(chǎn)線。韓國(guó)LG化學(xué)供應(yīng)的鋰離子電池已驅(qū)動(dòng)超過30萬輛電動(dòng)汽車上路，三星SDI也已成為全球主要的動(dòng)力電池供應(yīng)商，提供電池給寶馬、菲亞特、法拉利等。

美國(guó)政府曾通過經(jīng)濟(jì)刺激方案，將20億美元專門用于支持美國(guó)車用鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特斯拉與松下聯(lián)手在內(nèi)華達(dá)州興建投資20億美元的超級(jí)鋰離子電池工廠。美國(guó)制訂了動(dòng)力電池研發(fā)路線，包括由金屬鋰、硅合金等材料作為負(fù)極，高電壓材料、空氣硫作為正極的新體系結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池，以及非鋰體系動(dòng)力電池等。

隨著我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的國(guó)外動(dòng)力電池企業(yè)在我國(guó)投資建廠。三星SDI、LG化學(xué)已分別在西安和南京合資建廠投產(chǎn)，松下大連工廠正在建設(shè)中，博世和SK也籌劃在我國(guó)建設(shè)動(dòng)力電池工廠。

我國(guó)的鋰離子電池研究項(xiàng)目一直是“863計(jì)劃”的重點(diǎn)項(xiàng)目，經(jīng)過二十多年的持續(xù)支持，大部分材料實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，由追趕期開始向同步發(fā)展期過渡，本土總產(chǎn)能居世界第一，支撐了我國(guó)新能源汽車的示范推廣。

目前，我國(guó)已形成了包括關(guān)鍵原材料（正極、負(fù)極、隔膜、電解液等）、動(dòng)力電池、系統(tǒng)集成、示范應(yīng)用、回收利用、生產(chǎn)裝備、基礎(chǔ)研發(fā)等在內(nèi)的完善的鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈體系，掌握了動(dòng)力電池的配方設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝技術(shù)，生產(chǎn)線逐步從半自動(dòng)中試向全自動(dòng)規(guī)模制造技術(shù)過渡。

在產(chǎn)業(yè)布局方面，我國(guó)形成了珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲、中原地區(qū)和京津冀區(qū)域?yàn)橹鞯乃拇髣?dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化聚集區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前有近100家動(dòng)力電池企業(yè)開展動(dòng)力電池的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作，有近1000億元產(chǎn)業(yè)資金投入，形成近40GW·h年產(chǎn)能，技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展顯著，有力地支撐了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

預(yù)計(jì)至2020年進(jìn)入技術(shù)提升階段。新型鋰離子電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，能量型鋰離子電池單體比能量達(dá)到350W·h/kg，能量功率兼顧型動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到200W·h/kg。動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)智能化制造，產(chǎn)品性能、質(zhì)量大幅度提升，成本顯著降低，純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性與傳統(tǒng)汽油車基本相當(dāng)，插電式混合動(dòng)力汽車步入普及應(yīng)用階段。

預(yù)計(jì)至2025年進(jìn)入產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段。新型動(dòng)力電池技術(shù)取得顯著進(jìn)展。動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展與國(guó)際先進(jìn)水平接軌，形成2～3家具有較強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的大型動(dòng)力電池公司，國(guó)際市場(chǎng)占有率達(dá)到30%。固態(tài)電池、鋰硫電池、金屬空氣電池等新體系電池技術(shù)不斷取得突破，比能量達(dá)到400W·h/kg以上。

預(yù)計(jì)至2030年進(jìn)入產(chǎn)業(yè)成熟階段。新體系電池實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，電池單體比能量達(dá)到500W·h/kg以上，成本進(jìn)一步下降；動(dòng)力電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

未來相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，我國(guó)節(jié)能與新能源汽車將以普及應(yīng)用插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車等新能源汽車為主要任務(wù)，迫切期待動(dòng)力電池降低成本、提高性能。研發(fā)新型鋰離子電池和新體系電池、提升動(dòng)力電池智能制造水平、完善驗(yàn)證測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)體系，既是我國(guó)節(jié)能與新能源汽車的發(fā)展需求，也是我國(guó)動(dòng)力電池發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)，具有緊迫性。

總之，新能源汽車競(jìng)爭(zhēng)的核心是技術(shù)，最迫切的是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池技術(shù)的突破。在電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件中，動(dòng)力電池是技術(shù)門檻最高、也是利潤(rùn)最集中的部分。如果不能掌握動(dòng)力電池的核心技術(shù)，我國(guó)新能源汽車注定將舉步維艱。而電池技術(shù)的突破，將成為我國(guó)進(jìn)入新能源汽車領(lǐng)域，搶占未來行業(yè)制高點(diǎn)的最佳切入點(diǎn)。