第1章　新能源汽車基礎

1.1　新能源汽車的發展

1.1.1　新能源汽車的發展歷史

19世紀末到20世紀初，從美國人托馬斯制造出第一輛用直流電機驅動的電動車開始，到1899年5月世界首輛車速超過100km/h的電動汽車“Jamais Contente（永不滿足號）”的出現，電動汽車進入商業化階段。英國、法國和美國先后涌現了一批著名的電動汽車制造公司，如最早的電動汽車制造廠Morris和Salom。1830年～1900年，匈牙利、美國、荷蘭、英國、法國、奧地利和德國，都有人曾制造出電動汽車。到1912年，美國約有34000輛注冊的電動汽車，幾乎涵蓋了各種車型。這一時期也成為早期電動汽車發展的黃金時期。

從1886年內燃機開始出現，到內燃機大規模進入汽車市場，讓電動汽車的發展遭受了一個巨大的挑戰。而Ford公司大規模生產工藝的進步，使汽車價格降低，更加速了電動汽車的消失。因此從20世紀30～60年代，電動汽車步入冬眠期。

20世紀70年代初蔓延全球的中東石油危機爆發，讓內燃機市場受到沖擊，從而使電動汽車重新進入各大廠家視線，歐洲、亞洲的各個國家投入大量的人力物力再次重新致力于電動汽車的開發和研究，美國三大汽車制造商通用、福特和克萊斯勒都開發了相應的電動汽車，1991年12月寶馬公司在法蘭克福車展上推出了E1J電動汽車，電動汽車的春天又一次到來。

從20世紀90年代開始，在能源和環境的雙重壓力下，電動汽車的研究開發再次進入一個活躍期。這一時段世界各大汽車制造商紛紛推出各自的電動汽車。在美國，通用、福特、特斯拉等汽車公司，在電動汽車的發展中起著非常重要的作用。在日本，幾乎所有的汽車生產商，如豐田、日產、馬自達、三菱、鈴木、大發、五十菱等汽車公司都制定了各自的商業化電動汽車發展規劃。歐洲的許多國家，尤其是法國、德國、意大利和英國都紛紛進入電動汽車市場，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。

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

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

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

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

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

法國雪鐵龍汽車公司在20世紀90年代也開始發展電動汽車，以適應環保和節能要求。在1990年，其投放市場的是Peugeot106和Citroen ax電動轎車，隨后又推出了Peugeot lon和Citroen Citela等。

國內各大汽車生產廠家也紛紛踏進電動汽車領域。目前，比亞迪新能源策略為雙驅戰略，即公共交通和個人交通全面發力。公共交通領域推廣比亞迪自主研發的電動大巴K9，個人市場領域推廣插電式混合動力車。其中，比亞迪K9大巴已經在國內主要城市寶雞、長沙、西安以及英國、荷蘭、哥倫比亞等國家進行了市場化運營。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有限公司（騰勢汽車）成立于2010年，公司專注于純電動汽車的生產，其中汽車動力核心技術由比亞迪提供，車身技術由奔馳提供，合資公司的經營范圍主要包括設計研究和開發乘用車。

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

北京新能源汽車股份有限公司（以下簡稱北汽新能源），是一家以環保乘用車為主要經營范圍的新能源科技公司。成立于2009年，經過4年多的發展積累，北汽新能源已掌握了整車系統集成與匹配、整車控制系統、電驅動系統三大關鍵核心技術，旗下EC180、EU260、EX260、EV160、EH300、物流車等多款產品已投入市場或示范運營。目前，北汽新能源已與大洋電機、普萊德蓄電池、愛思開蓄電池等多家公司展開了戰略合作，并與美國Atieva公司簽訂了股權認購協議，成為后者的第一大股東。

1.1.2　新能源汽車的發展現狀

目前在車用動力源方面，主要有四種技術路線：鋰離子電池、氫燃料電池、超級電容器和鋁空氣電池。其中鋰離子電池、氫燃料電池和超級電容器得到了廣泛的應用，而鋁空氣電池尚處于實驗室研究階段。能源補給方面，鋰離子電池、超級電容器適用于純電動汽車，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充鋁板和電解液。就目前情況來看，鋰離子電池在未來相當長的一段時間內仍會占據主要發展空間。

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車領域都有應用。由于三元鋰電池能量密度高、續駛里程相對較長，國內車企乘用車紛紛轉向使用三元鋰電池，包括北汽（北京汽車集團有限公司）、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。

相比三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池由于安全性能穩定、高溫性能好、重量輕等優勢，越來越多地活躍在電動客車市場。但因其低溫性能差、正極材料振實密度小等缺陷，在微型電池方面不具有優勢。鈦酸鋰電池是鋰離子電池中壽命最長、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，鈦酸鋰電池則是3萬次循環，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合，以解決新能源汽車續駛里程短的難題。

當前，日本在鋰離子電池領域居技術領先地位，已制訂至2030年發展規劃，系統地安排研發課題，以維持長期的領先地位，松下、NEC、索尼等著名公司都建有大規模鋰離子電池生產線。韓國LG化學供應的鋰離子電池已驅動超過30萬輛電動汽車上路，三星SDI也已成為全球主要的動力電池供應商，提供電池給寶馬、菲亞特、法拉利等。

美國政府曾通過經濟刺激方案，將20億美元專門用于支持美國車用鋰離子電池產業的發展，特斯拉與松下聯手在內華達州興建投資20億美元的超級鋰離子電池工廠。美國制訂了動力電池研發路線，包括由金屬鋰、硅合金等材料作為負極，高電壓材料、空氣硫作為正極的新體系結構動力電池，以及非鋰體系動力電池等。

隨著我國新能源汽車產業的快速發展，越來越多的國外動力電池企業在我國投資建廠。三星SDI、LG化學已分別在西安和南京合資建廠投產，松下大連工廠正在建設中，博世和SK也籌劃在我國建設動力電池工廠。

我國的鋰離子電池研究項目一直是“863計劃”的重點項目，經過二十多年的持續支持，大部分材料實現了國產化，由追趕期開始向同步發展期過渡，本土總產能居世界第一，支撐了我國新能源汽車的示范推廣。

目前，我國已形成了包括關鍵原材料（正極、負極、隔膜、電解液等）、動力電池、系統集成、示范應用、回收利用、生產裝備、基礎研發等在內的完善的鋰離子動力電池產業鏈體系，掌握了動力電池的配方設計、結構設計和制造工藝技術，生產線逐步從半自動中試向全自動規模制造技術過渡。

在產業布局方面，我國形成了珠江三角洲、長江三角洲、中原地區和京津冀區域為主的四大動力電池產業化聚集區域。據統計，目前有近100家動力電池企業開展動力電池的研發及產業化工作，有近1000億元產業資金投入，形成近40GW·h年產能，技術研發、產業化進展顯著，有力地支撐了新能源汽車產業的快速發展。

預計至2020年進入技術提升階段。新型鋰離子電池實現產業化，能量型鋰離子電池單體比能量達到350W·h/kg，能量功率兼顧型動力電池單體比能量達到200W·h/kg。動力電池實現智能化制造，產品性能、質量大幅度提升，成本顯著降低，純電動汽車的經濟性與傳統汽油車基本相當，插電式混合動力汽車步入普及應用階段。

預計至2025年進入產業發展階段。新型動力電池技術取得顯著進展。動力電池產業發展與國際先進水平接軌，形成2～3家具有較強國際競爭力的大型動力電池公司，國際市場占有率達到30%。固態電池、鋰硫電池、金屬空氣電池等新體系電池技術不斷取得突破，比能量達到400W·h/kg以上。

預計至2030年進入產業成熟階段。新體系電池實現實用化，電池單體比能量達到500W·h/kg以上，成本進一步下降；動力電池技術及產業發展處于國際領先水平。

未來相當一段時期內，我國節能與新能源汽車將以普及應用插電式混合動力汽車、純電動汽車等新能源汽車為主要任務，迫切期待動力電池降低成本、提高性能。研發新型鋰離子電池和新體系電池、提升動力電池智能制造水平、完善驗證測試方法和標準體系，既是我國節能與新能源汽車的發展需求，也是我國動力電池發展的關鍵任務，具有緊迫性。

總之，新能源汽車競爭的核心是技術，最迫切的是實現動力電池技術的突破。在電動汽車關鍵零部件中，動力電池是技術門檻最高、也是利潤最集中的部分。如果不能掌握動力電池的核心技術，我國新能源汽車注定將舉步維艱。而電池技術的突破，將成為我國進入新能源汽車領域，搶占未來行業制高點的最佳切入點。