電動汽車作為世界公認的汽車發(fā)展方向給中國帶來了挑戰(zhàn),但同時也帶來了機遇。從能源利用的角度而言,大中城市電網(wǎng)負荷平衡和儲能技術(shù)有待突破,北京市電網(wǎng)峰谷負荷差已超過40%(上海更是達到60%),采用電動車輛夜間充電蓄能有效避免電能的二次回收消耗,提高了電網(wǎng)運行的效率。
節(jié)能減排已成為汽車行業(yè)的共識,但采用何種技術(shù)路線卻引發(fā)了長期的爭議。一般而言,實現(xiàn)汽車的節(jié)能減排有兩種途徑,第一,沿用傳統(tǒng)動力系統(tǒng),通過對發(fā)動機技術(shù)升級或采用代用燃料改善其排放并實現(xiàn)節(jié)油效果,如現(xiàn)在采用符合先進排放法規(guī)的發(fā)動機,天然氣發(fā)動機等等。第二,采用新型動力系統(tǒng),主要是指部分或全部采用電驅(qū)動方式,其中以燃料電池作為電源的電動汽車利用氫氧電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電技術(shù),可實現(xiàn)零排放,但現(xiàn)階段受到技術(shù)和產(chǎn)業(yè)瓶頸的制約,是面向未來的電動汽車技術(shù);混合動力電動汽車引入電驅(qū)動技術(shù)與發(fā)動機配合實現(xiàn)節(jié)能減排,雖不能實現(xiàn)零排放,但產(chǎn)業(yè)化難度不高,但由于其應(yīng)用效果對發(fā)動機技術(shù)依賴程度高,這恰恰是我國汽車工業(yè)的短板,實現(xiàn)自主創(chuàng)新難度大;純電動汽車利用化學(xué)動力蓄電池作為車載電源,技術(shù)相對成熟,可實現(xiàn)零排放。我國早已是動力電池和驅(qū)動電機的制造大國和資源大國,在電動自行車和電瓶車產(chǎn)業(yè)積蓄了龐大的產(chǎn)業(yè)資源,鋰資源和稀土資源作為純電動汽車的戰(zhàn)略資源在我國有足夠的儲量,使我國已經(jīng)具備大力發(fā)展純電動汽車的基礎(chǔ)條件。相比之下,實現(xiàn)我國汽車節(jié)能減排戰(zhàn)略,以純電動汽車作為自主創(chuàng)新的突破口是有深厚基礎(chǔ)的。
先期發(fā)展純電動城市商用車符合我國國情
純電動商用車是國際上并未大力投入進行研發(fā)的車型,但城市商用車(如公交車、環(huán)衛(wèi)車等)具有定點定線運行、運力高效、耗能高、排放高等特點,符合純電動汽車的使用特點和零排放優(yōu)勢,尤其城市商用車相當部分由政府調(diào)配或補貼,有利于產(chǎn)業(yè)化初期政府對新能源車的補貼和支持政策的實施。我國作為人口眾多的發(fā)展中國家,公共交通是國家鼓勵的出行工具,純電動商用車有著廣闊的市場,與乘用車相比商用車的噸功率低,對動力電池能量密度、放電倍率以及電機的功率密度、動態(tài)特性要求等重要參數(shù)要求不高,符合國內(nèi)的技術(shù)能力現(xiàn)狀,并且我國傳統(tǒng)商用車在國外有較強的競爭力,基礎(chǔ)較好,所以先期發(fā)展純電動城市商用車符合我國國情,可以帶動整個電動汽車整車及配套體系的進步。
經(jīng)過10余年的研究攻關(guān),我國純電動商用車整車性能和技術(shù)水平明顯提高,可靠性、安全性大幅度提高,形成系列電動商用車動力系統(tǒng)平臺,安凱、京華、華德尼奧普蘭,福田、申沃、金龍、中通等商用車型,獲得一批國家新能源汽車產(chǎn)品公告,產(chǎn)業(yè)配套體系初步形成。
現(xiàn)階段,純電動汽車存在動力電池成本高、使用壽命短、續(xù)駛里程短、充電時間長等問題,制約了純電動汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用。經(jīng)過多年的研究分析和實踐,以北京理工大學(xué)為首的純電動商用車團隊提出并應(yīng)用了一套完整的解決方案,電池快速更換、集中分箱充電技術(shù)和電池租賃是其中的關(guān)鍵,具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電池快速更換系統(tǒng)能在5-8分鐘之內(nèi)完成整車全部動力電池的更換,和傳統(tǒng)車加油的時間接近,大大提高了車輛的利用效率,車載電池數(shù)量減少;更換下來的電池在充電站集中充電,每1-2箱電池對應(yīng)一部小型充電機,有效解決了整車充電對電池的損害,集中充電環(huán)境優(yōu)越,由專業(yè)單位負責充電管理,大幅度延長電池使用壽命;整車企業(yè)不再負責電池的購買、集成和安裝,僅僅生產(chǎn)無動力電池整車,標準化電池采用租賃方式提供給運營單位,按實際耗電量支付租賃費用,由于整車電耗費用僅為燃油費的1/4,按現(xiàn)有電池成本估算,在整車運行15-20萬公里時,能收回電池成本,電池的壽命還有很大的提升余地,成本有很大的降低空間,國家對純電動車還有較高的補貼,采用租賃方式前景廣闊。該方案在北京奧運純電動公交客車 運營線上得到了很好的應(yīng)用,上海世博會120臺純電動公交客車也將采用此方案投入運營,大連等其他示范城市也引進了該技術(shù)路線。
純電動乘用車自主創(chuàng)新是 我國汽車產(chǎn)業(yè)的機遇
和純電動商用車相比,(中高速)純電動乘用車具有技術(shù)含量高、產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大、覆蓋個人用戶、對社會影響大、是交通能源補充方式的革命、節(jié)能減排總量龐大等特點。如果能完成技術(shù)突破、實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化將是汽車工業(yè)和交通領(lǐng)域的革命,影響極為深遠。對像中國這樣的汽車工業(yè)起步晚、自主技術(shù)薄弱的國家無疑是重大的機遇。和傳統(tǒng)燃油車相比,純電動乘用車具有以下技術(shù)優(yōu)勢:
零排放,低噪聲;
能量補充費用僅為燃油車的1/5;
電機具有優(yōu)越的力矩特性,更具駕駛樂趣;
可以充分發(fā)揮電機控制優(yōu)勢,實現(xiàn)車輪獨立控制,提高整車性能;
具有用電優(yōu)勢,可車載更大功率的電器系統(tǒng),構(gòu)建舒適的駕駛乘用環(huán)境;
易于實施整車網(wǎng)絡(luò)化控制,實現(xiàn)智能駕駛;
信息化程度更高,易于實現(xiàn)智能交通管理,提高出行效率。
與純電動商用車相比乘用車技術(shù)面臨更大挑戰(zhàn):
對電池要求高,應(yīng)同時具有優(yōu)良的能量特性和功率特性,能實現(xiàn)無損快充,壽命應(yīng)更長。電池組布置難度大,環(huán)境適應(yīng)性要求更高;
對電機要求高,應(yīng)同時滿足低速爬坡加速和長時間較高速行駛的能力(應(yīng)大于90km/h),布置空間及環(huán)境要求更為苛刻;
對整車技術(shù)要求高,總體布置更為緊湊,控制策略更為復(fù)雜,舒適性和智能化程度要求高,安全性和可靠性實現(xiàn)難度大;
車身結(jié)構(gòu)安全及輕量化更為重要和困難。
我國早在90年代就已經(jīng)開展了純電動乘用車的研究開發(fā)工作,在當時的技術(shù)條件下成功開發(fā)出純電動乘用車樣車,但由于當時缺乏政策環(huán)境和市場支持,整車研發(fā)停頓了一段時間,但基礎(chǔ)研究并未中斷,長期的積累為當前電動乘用車技術(shù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展奠定了強大的基礎(chǔ)。國內(nèi)很多整車企業(yè)近年都推出了自己的純電動乘用車型,如比亞迪 E6,在深圳用于出租車試驗運營。
北京理工大學(xué)近年申報了“新型雙電機獨立驅(qū)動橋”發(fā)明專利,該專利可以有效解決空間布置難題,適合裝備獨立懸架的電動汽車,減少傳統(tǒng)汽車的電動化改型的難度;驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用雙電機相向布置型式,雙減速器成為單一總成,結(jié)構(gòu)緊湊;在具備雙電機獨立驅(qū)動優(yōu)點的同時,電機和減速器固定到車架(身)上,全部變?yōu)榛奢d質(zhì)量,避免了輪轂電機驅(qū)動所帶來的缺陷,有利于改善車輛的動力學(xué)性能;采用二級減速器,能有效減小傳動部件尺寸,方便整車布置,且可以選用高速電機,降低電機質(zhì)量和成本,并提高系統(tǒng)的可靠性;可以較為方便地在減速器中加入防滑裝置,提高車輛在復(fù)雜路面的通過性,并可減少雙電機協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜程度;容易擴展為四輪獨立驅(qū)動,充分發(fā)揮車輪的路面附著能力。該方案在保證車輪獨立驅(qū)動優(yōu)良的動力學(xué)性能基礎(chǔ)上,更加平穩(wěn)舒適,成本更低,更易于實現(xiàn)電動乘用車的迅速產(chǎn)業(yè)化。因此,該類驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用將成為車輪獨立驅(qū)動電動乘用車的一個非常具有前景的解決方案。
在國家863和北京市科技項目的支持下,北京理工大學(xué)于2009年5月,成功研制了裝備“雙電機獨立驅(qū)動裝置”的純電動乘用車樣車。該樣車裝備新型磷酸鐵鋰電池和永磁同步電機、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),實現(xiàn)了整車網(wǎng)絡(luò)化控制,最高時速可以達到120km/h,續(xù)航里程超過200km,支持外部快速充電和車載220V充電模式,可以實現(xiàn)電池的快速更換,自主研發(fā)的整車控制策略可以滿足整車的功能要求,達到了功能驗證的目標,證明整車及驅(qū)動方案完全可行,在改造過程中對車身結(jié)構(gòu)改變非常少,不影響整車結(jié)構(gòu)性能,改造工作量不大,證明了方案對成熟燃油車型的電動化改造具有顯著優(yōu)勢。2010年還基于雙電機方案研制出小型純電動轎車樣車,整車重量不超過900千克,完全滿足城市上下班的功能需求,并可以達到申請國家6萬元財政補貼的技術(shù)要求,預(yù)測批量成本可以控制在十萬以內(nèi),有非常好的市場前景。
綜上所述,純電動乘用車已被普遍認為是可以大力發(fā)展的新能源車型,近年動力電池、驅(qū)動電機技術(shù)的飛速進步為整車性能的大幅度提高奠定了基礎(chǔ)。以日本為首的發(fā)達國家已經(jīng)逐漸完成中高速純電動乘用車的技術(shù)準備階段,開始投放市場,國內(nèi)與其相比存在一定差距。國內(nèi)應(yīng)把握純電動乘用車的正確發(fā)展方向,抓住機遇自主創(chuàng)新,抓緊整車技術(shù)標準體系的建立,為電池電機等關(guān)鍵部件的突破和應(yīng)用提供高水平的平臺,加快純電動乘用車關(guān)鍵部件的研制工作,形成可靠性好、效率高的系列部件產(chǎn)品及配套體系,為整車的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
純電動商用車在污染問題比較嚴重的大中城市有著廣闊的應(yīng)用空間,能集中有效的解決傳統(tǒng)燃油機動車的污染排放問題,對電池和電機技術(shù)要求符合國內(nèi)部件的技術(shù)現(xiàn)狀,同時便于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和政府支持,可以作為先期發(fā)展的新能源車型。我國已開始形成完全自主的技術(shù)標準體系,積累了寶貴經(jīng)驗和技術(shù)基礎(chǔ)。
純電動乘用車預(yù)期規(guī)模巨大,是中國汽車工業(yè)的發(fā)展機遇,但(中高速)純電動乘用車對部件要求高,我國面臨著國外汽車跨國公司的巨大的壓力和挑戰(zhàn),在和國外差距不是很大的情況下,應(yīng)堅持走中國自己的技術(shù)路線,爭取形成自主的標準體系,在政府支持下做大做強,避免重復(fù)傳統(tǒng)汽車引進消化再引進的老路。
電動乘用車和電動商用車對電池、電機的要求比較
電動乘用車
電動商用車
對電池一般性要求
比能量最好大于120Wh/kg,同時最高放電倍率大于2C
比能量可以小于100Wh/kg,同時最高放電倍率為1C左右
對電機一般性要求
功率密度2-3kW/kg、過載特性2-3倍、動態(tài)響應(yīng)能力強
功率密度1-2kW/kg、過載特性1-2倍、動態(tài)響應(yīng)能力較強