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電動汽車“黃金時代”要做好兩件事:電池創新和智能化

2021-01-25 15:59:58 中國能源網   作者: 張學坤 冉澤  

2020年是新能源汽車發展的里程碑,受新冠疫情影響,以年中為分水嶺新能源汽車行業2020年呈現了“V”型走勢,上半年遭受疫情沖擊,讓新能源汽車市場增速放緩,下半年在疫情好轉、復工復產、政策扶持等推動下,汽車市場逐步回暖。尤其是我國提出2030碳達峰和2060碳中和目標給新能源汽車行業帶來巨大紅利,行業前景明朗。可以說新能源汽車的黃金時代就此開啟。

政策指向明確

2020年4月16日,《關于新能源汽車免征車輛購置稅有關政策的公告》明確從2021年-2022年對新能源汽車免征車輛購置稅。

2020年4月23日,四部委發布《關于完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》,將新能源汽車推廣應用財政補貼政策延長至2022年底。

2020年11月2日,國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃(2021~2035年)》,提出到2025年新能源汽車銷量達到新車總量的20%,純電動乘用車新車平均電耗降至12.0千瓦時/百千米。到2035年,純電動汽車成為新車主流,公共領域用車全面實現電動化。

另外,2020年,國家還印發了《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》、《智能網聯汽車技術路線圖2.0》,從各個方面具體描繪了未來15年我國新能源汽車產業的發展藍圖。

在一系列政策的支持以及我國經濟實現V型反彈的大環境下,新能源汽車市場開始復蘇和回暖,2020年年終,國內新能源汽車產銷量回歸同比正增長。

據中汽協數據顯示,2020年1-12月,新能源汽車產銷分別完成136.6萬輛和136.7萬輛,同比分別增長7.5%和10.9%。分車型看,純電動汽車產銷分別完成110.5萬輛和111.5萬輛,同比分別增長5.4%和11.6%;插電式混合動力汽車產銷分別完成26萬輛和25.1萬輛,同比分別增長18.5%和8.4%;燃料電池汽車產銷均完成0.1萬輛,同比分別下降57.5%和56.8%。

一、電池創新

電動汽車的核心是“三電(電池、電機和電控)”,而其中最重要的是電池。電池創新成為了支撐電動汽車發展的關鍵。電池創新主要包括兩方面,電池材料創新和電池結構創新。中科院院士歐陽明高認為,電池材料需要平衡比能量、壽命、快充、安全、成本等矛盾,未來需要長期研發,厚積薄發實現大的突破。電池系統結構創新輔以電池單體材料改進成為近年來中國動力電池技術創新的明顯特征。

1、動力電池材料創新

快充相關:高電壓鎳錳酸鋰正極材料

高電壓鎳錳酸鋰材料是下一代動力電池的主流正極材料之一,它具有高電壓、高能量密度、低成本、高安全和快鋰離子傳導特性。在高電壓下,電極材料與電解液的劇烈副反應是限制鎳錳酸鋰材料商業化的主要障礙。如何構造穩定的正極材料與電解液界面和耐高電壓的材料體系,是解決該問題的關鍵。具體包含高電壓正極材料表面改性技術,高電壓鎳錳酸鋰材料電解液開發匹配技術,高電壓輔助配套材料的匹配改性技術,這些技術也將推動電池行業向高電壓、高能量密度和高安全的目標前進。

固態電池相關:聚合物復合固態電解質技術

固態鋰電池以高比能、高安全性等優勢被認為是未來動力電池發展的核心方向,其設計、制備物理與電化學性能優異的固態電解質迫在眉睫。聚合物復合固態電解質設計理念,是以尺寸熱穩定性好的“剛”性材料為骨架支撐,復合電化學窗口寬、室溫離子傳輸性能優異的“柔”性聚合物材料和高離子遷移數鋰鹽,有效解決單一聚合物電解質尺寸熱穩定性差和力學強度低,以及單一無機固態電解質界面傳輸和加工性能差的瓶頸問題,利用該聚合物復合電解質研制的固態鋰電池具有高安全、高比能、高耐壓、長壽命等突出特點,是未來新能源汽車動力電池技術的重要選擇。

對于動力電池的未來路線,高鎳錳酸鋰正極材料及電池技術、聚合物復合固態電解質技術可以看出,我國動力電池基本會走向高鎳無鈷化、固態電解質路線。

2、動力電池結構創新

三電技術是目前新能源汽車產業關注的焦點,近年來動力電池熱失控成為新能源汽車產業發展的核心痛點,高電壓電氣架構成為制約充電速度與車輛性能的關鍵所在。比亞迪的刀片電池、寧德時代的CTP電池包是未來一至兩年內解決產業痛點的利器。

以比亞迪為代表的高集成刀片動力電池技術

高集成刀片動力電池技術,是由比亞迪旗下弗迪電池有限公司研發,全球首創的具有高集成效率、高安全防護的動力電池技術。該技術突破傳統拉深/擠出工藝制約,攻克超薄鋁殼焊接技術,成功開發長寬比為10:1、厚度為0.3mm的超長超薄鋁殼刀片電池,打破傳統電池系統的模組概念,利用刀片電池獨特長寬比特征,實現超長尺寸電芯的緊密排列,獲得超過60%的體積集成效率。

簡單來說,比亞迪的刀片電池是采用電芯的扁平化設計,通過橫跨包體的長條狀單體電池,取消了橫縱梁結構,進而提升空間利用率。與傳統電池系統40%的體積效率相比,體積集成效率提升50%,使得搭載磷酸鐵鋰體系的純電動汽車續航里程達到600km。同時,基于磷酸鐵鋰先天的安全優勢,刀片電池的緊密組排設計、多功能集成包絡設計和系統三明治式結構設計可以從多層級多維度保障動力電池系統安全。

王傳福在電動車百人會高層論壇上提到,比亞迪開發的“刀片電池”是新一代磷酸鐵鋰電池,“刀片電池”在體積比能量密度上比傳統鐵電池提升了50%,具有高安全、長壽命等特點,整車壽命可達百萬公里以上。

以寧德時代為代表的動力電池高效成組CTP技術

CTP是CelltoPackage的縮寫,即電池直接到包技術,省去了中間的模組環節。特斯拉要走的也是這個路線。

寧德時代CTP技術將電池包的重量成組效率從行業平均水平70%提升至80%,體積成組效率從56%提升至65%,零件數量減少25%。同時,減少了傳統模組的生產工序,生產效率提高20%。量產電池包重量能量密度超過170Wh/kg,同時在研產品電池包重量能量密度達到215Wh/kg。除了CTP,寧德時代還在研發CTC(CelltoChassis)技術,即電池直接到底盤技術。

寧德時代董事長曾毓群表示:未來一定周期時間內,磷酸鐵鋰、三元材料還有提升空間,還是應用的絕對主流。系統結構創新方面,寧德時代的CTP、CTC等,主要是優化系統,提高集成度,實現系統能耗和成本的降低、效率的提升。

二、電動汽車智能化趨勢

智能網聯汽車被公認為汽車智能化發展的最佳方向,其整體技術架構十分復雜,涉及車輛、信息交互與基礎支撐三個領域。云平臺與大數據技術、高精度地圖與高精度定位技術是智能網聯汽車的基礎信息平臺,而V2X通訊技術是車聯與基礎信息平臺之間交互的通道。

2020年2月24日,11部委聯合發布《智能汽車創新發展戰略》,2020年成為智能網聯汽車產業落地的元年,在5G以及人工智能等技術的推動下,智能網聯的浪潮正在席卷新能源汽車行業。具備了先進環境感知和V2X通訊能力的智能網聯汽車已經能夠實現全速域L3級別自動駕駛。

智能駕駛技術主要體現在以下幾個方面:

1、感知系統

感知系統可以看做是智能汽車的“眼睛”,主要為智能網聯汽車獲取更準確、更全面的信息。主要包括攝像頭、雷達、高精度地圖和高精度定位。

攝像頭、雷達等傳感器:目前超聲波雷達的應用已經相對成熟,攝像頭、毫米波雷達和激光雷達正隨著自動駕駛技術的發展實現活躍的技術創新。

高精度地圖:高精度地圖用于自動駕駛的地圖匹配、路徑規劃、特定情況下的自動駕駛,是智能駕駛產業鏈中不可缺少的一個環節。從角色定位來看,高精度地圖在智能駕駛的作用,已經逐步脫離單純地圖數據導航的作用,而更多的是與其它傳感器融合在一起,發揮環境感知的作用。

高精度定位:L3級以上智能駕駛需要厘米級的高精度定位技術。現有的定位技術手段包括衛星導航、慣性導航和環境特征匹配。智能駕駛中的高精度定位技術,有絕對定位和相對定位之分。

人口稠密地區的L3級以上自動駕駛的最佳定位技術方案有兩種,一種是4G/5G定位方案,另一種是汽車傳感器融合定位方案。在人口稀少地區,不適合大規模鋪設5G基站,將主要依靠衛星定位技術,GNSS定位的主要優勢是成本低、精度高。

2、決策系統

決策系統相當于智能駕駛的“大腦”,通過處理感知環節搜集的信息,做出行為預測、路徑規劃和行為決策等。決策系統主要包括智能計算平臺、操作系統、芯片和算法。

車載智能計算平臺:車載智能計算平臺是智能汽車電子電氣架構的核心,主要完成汽車行駛和信息交互過程中海量、多源、異構數據的高速計算處理,運用AI、大數據、云計算等新技術,實時感知、決策、規劃,并參與全部或部分控制,是L3級及以上智能駕駛的必要解決方案。

車載操作系統:車載操作系統包括智能駕駛操作系統和車控操作系統。其中智能駕駛操作系統為全功能量級操作系統,提供智能駕駛軟件系統調度以及高性能計算的管理。車控操作系統為輕量級操作系統,負責車輛的MCU級實時安全控制機安全控制算法的調度管理。兩者相比,車控操作系統對實時性要求更高。

3、執行系統

執行系統包括對加速、制動、轉向等功能的控制。其中,線控制動是執行系統的核心功能。目前博世推出的ibooster線控制動系統,產品已批量應用于大眾、奧迪、特斯拉以及凱迪拉克等品牌的車型。日立、大陸、天合也分別推出了EACT、MKCI、IBC線控制動系統。中國京西重工、萬向集團、武漢元豐、伯特利、易立達等企業正加速布局。

除了單車智能駕駛外,車車協同、車路協同等車聯網概念也在逐步落地之中。也就是說智能化之外還有網聯化。雖然車聯網大的發展方向是明確的,但是車聯網的落地還存在行業標準、投資主體、商業模式等一系列挑戰。

結語

碳達峰、碳中和目標為電動汽車開啟了“黃金時代”。到底是黃金十年(到2030年碳達峰),還是黃金四十年(2060年碳中和)我們還不得而知。但即使是黃金時代,也必將是大浪淘沙的黃金時代。

當前,時代的確定性和技術的不確定性共存。誰能夠抓住電池創新和電動汽車智能化(以及更進一步的網聯化)這兩個牛鼻子、并能夠不斷取得突破的話,誰就更有可能立于不敗之地。應該說,電動汽車市場(包括動力電池市場)的格局還沒有定型,黑天鵝和黑馬都有可能出現。

(張學坤 冉澤)




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責任編輯: 中國能源網