在政策導向階段，我國新能源汽車推廣取得了驕人成績。截至 2017 年 11 月底，我國新能源汽車累計產銷分別為 63.9 萬輛和60.9 萬輛，保有量突破 150 萬輛，增長勢頭依然強勁。但隨著補貼金額的逐年退坡，產業發展轉入市場導向階段時，我國新能源汽車產業尤其是乘用車產業如何應對市場開放格局下外資品牌的強勢衝擊， 如何保持我國自主品牌新能源汽車的市場活力並參與到國際競爭中去，是不可忽視的問題。本文通過分析對比國內外電動汽車關鍵技術， 明確我國新能源汽車產業的國際競爭地位，為國家宏觀政策引導和產業研發投入提供參考依據。
一、純電動汽車關鍵技術
（一）動力電池方面
1、三元電池向高鎳方向發展
我國目前三元電池廠商主要生產的是 NCM333 和 NCM523 電池，NCM622 已經進入部分企業的材料供應鏈，處於研發階段的NCM811 也有望於近期開始應用。電池單體能量密度將從200Wh/kg 向 250-300Wh/kg 邁進。國際方面，NCM622 已經開始應用（寶馬i3），NCM811 開始小範圍適用。
2、圓柱電池向 21700 方向發展
國際上 Tesla 和松下共同研發的 21700 電池單體容量為3-4.8Ah，質量為 60-65g，能量密度為 300Wh/kg，並且已經應用在Model 3 車型上。而國內在乘用車領域還沒有 21700 電池應用的案例，但一些企業開始布局。深圳比克電池預計 21700 電池單體容量可達到 6Ah 的；天鵬電源 21700 電池單體能量密度為200-240Wh/kg；億緯鋰能 21700 電池單體容量為 4Ah，能量密度為 215 Wh/kg 並計劃在 2019 年推出 260Wh/kg 的產品；遠東福斯特 21700 電池規劃單體容量為 5Ah 以上；力神發布的 21700 電池單體容量為 2-5Ah，能量密度為 210-260Wh/kg。
（二）電驅動系統方面
1、我國車用驅動電機技術處於國際領先地位
我國乘用車驅動電機產品功率密度已經達到 3.3-3.6kW/kg（峰值功率/有效質量），最高轉速提高至 12800rpm 以上；商用車驅動電機轉矩密度達到 18Nm/kg 以上，最高轉速達到 3500rpm 以上。在乘用車方面，如下圖所示，我國驅動電機產品的功率密度已經達到 3.8 kW/kg（峰值功率/有效質量），轉矩密度為 7.1Nm/kg，與寶馬i3 的驅動電機技術指標處於同一水平。
2、國內外車用電機控制器技術現狀
我國車用電機控制器技術正在迅速追趕國外同類產品水平。我國電機控制器功率密度已經達到 12kW/L 以上，控制器效率達到 98%以上。從數值上看，與博世 2015 年的水平接近，但這是在標準模塊封裝下的性能參數，而在客戶不同要求的定製化封裝時，我國電機控制器的指標數據會有所降低。然而，雖然技術水平還落後於國外，但我國企業仍在不懈的追趕中，目前已經開發出功率密度 18kW/L 的定製化封裝電機控制器樣機。
3、我國車用電驅動系統發展目標
十三五重點研發計劃對於驅動電機的發展目標為：乘用車電機功率密度 4kW/kg，商用車電機轉矩密度做到 20Nm/kg，繼續保持國際領先水平。
十三五重點研發計劃對於驅動電機控制器的發展目標為：電機控制器實現功率密度倍增，達到國際先進水平。具體技術目標為 2020 年達到 16-18 kW/L，力爭 2025 年達到 32-36 kW/L（碳化矽）。
二、深度混合動力汽車關鍵技術
深度混合動力的特點是動力系統以電動機為基礎動力，汽油發動機為輔助動力。電動機完全可以滿足車輛在起步和低速行駛狀態下的動力要求，隨著速度的提升汽油發動機會和電動機通過智能系統來協同高效的工作，並且可以帶動發電機為電池充電。
（一）串聯式混合動力
串聯混合動力在車輛行駛時，發動機不直接驅動車輪，而是作為發電機為電池充電，僅由電池帶動電動機驅動車輛行駛。
日產 NOTE
日產在 2016 年發布一款名為 e-POWER 的動力系統，該系統屬於串聯式混合動力（增程式）。與傳統混合動力系統不同，日產 e-POWER 動力系統中，搭載了一臺三缸 1.2L 排量發動機（HR12DE），該發動機具有如下技術特點：一、採用米勒循環的工作原理，使得發動機的膨脹比大於壓縮比，在膨脹行程中可最大限度的將熱能轉化為機械能，有助於提高發動機的熱效率，降低燃油消耗。二、12:1 的壓縮比，可以讓混合氣中的汽油分子汽化的更完全，提高了發動機的工作效率。三、缸體採用真圓加工工藝，令缸體內壁更加光滑，減少活塞和氣缸之間的摩擦力， 提高工作效率，延長壽命。
發動機與車輛驅動系統進行解耦，其工作狀態與車輛的動態工況無關，且始終處在效率最佳的工作區間為動力電池補充電力，大幅降低燃油消耗。驅動電機輸出功率為 80kW，扭矩為 254Nm。與純電動汽車不同的是，e-POWER 動力系統中的能量來源是發動機，而不再是電池。
整個 e-POWER 動力系統可以讓車輛的加速性能如純電動車一樣，主要元器件與純電動汽車通用（與聆風採用同款電機），減少研發和生產成本。由於發動機只負責發電，燃油經濟性表現優異（Note e-Power 的油耗水平在日本JC08 測試標準下達到了37.2km/L）。
（二）混聯式混合動力
混聯混合動力在車輛行駛時，電動機和發動機都能夠分別單獨的驅動車輛，能夠提供純電、純油和油電混合三種驅動模式。
1、雪佛蘭 VOLT
2018 款雪佛蘭VOLT 的動力系統名為Voltec，該系統由充電接口、電子驅動單元、發動機、鋰離子電池組構成。VOLT 完全由電機驅動，當電池組的電力耗盡時，可以通過一臺 1.5L 的發動機帶動發電機來為車輛電驅系統繼續提供電能，在純電模式下可以行駛 53 英裡，在增程模式下可以行駛 420 英裡。其工作方式為：插電模式下，外接電源為電池充電，電池為電機提供電力，電機向車輪提供動力；增程模式下，發動機帶動發電機發電，發電機為電池充電，電池為電機提供電力，電機向車輪提供動力。
2、榮威 eRX5
榮威eRX5 的動力系統主要由發動機、EDU 電驅變速箱組成。發動機是一臺代號為 15E4E 的 1.5T 發動機，最大功率 124kW， 峰值扭矩 250Nm，與之匹配的是整套混動系統最核心的執行機構——EDU 電驅變速箱。EDU 內部採用了平行軸形式的齒輪軸系，其中輸入軸設置有兩擋齒輪，並通過嚙合的形式與同步器連接，進而通過差速器將動力輸出到半軸。輸入軸兩側集成有兩個電動機， 其中靠近發動機端的為 ISG 電機，其額定功率 30kW，峰值扭矩150Nm，主要負責車輛啟動、怠速充電這些低負荷工況。另一側為TM 電機，其額定功率為 56kW，峰值扭矩 318Nm，主要負責驅動車輛。兩者均通過由液壓油控制開閉的離合器來與機械動力單元相連。連接 ISG 電機與發動機的離合器 C1 採用了常開的設定， 而連接TM 電機的離合器C2 則採用了常閉的設定，中間的兩檔齒輪主要負責調整發動機輸出功率。該系統基於純電力驅動設計理念，只有在電量低與需要大扭矩輸出時，發動機才會啟動介入。在純電模式下可以行駛 60km，在增程模式下可以行駛 650km。
3、比亞迪秦
比亞迪「秦」搭載的最新 DMII 系統除了可實現純電動模式行駛和混合動力模式行駛外，當電量不足或高壓系統故障時還可單獨用發動機驅動行駛，實現了高壓系統的獨立性。該系統搭載了一臺 1.5T 渦輪增壓發動發動機，最大功率 113kw，峰值扭矩240Nm，6 檔雙離合變速、110kW 永磁同步電機以及 10kWh 容量的電池組合在一起，整體採用集成式一體化設計，從而使結構緊湊便於布置且提高了結構強度。電機經減速器與變速器連接，通過齒輪及花鍵完成扭矩傳遞，傳動效率高。通過電機與發動機的配合可以輕易地實現大扭矩輸出，提升車輛的動力性和通過性，又可用電動機對發動機進行功率調節，實現全天候工況下的運行。同時高壓系統選用 500V 電壓,減少了電能傳輸過程中的發熱損耗。
三、燃料電池汽車關鍵技術
（一）豐田
1、車型基本情況
豐田的燃料電池技術處於世界領先，以其量產的乘用車Mirai 為例，體積功率密度為 3.1kW/L（比 2008 年豐田的技術提升了 2.2 倍），發電功率達 114kW，整個電堆位於駕駛艙下方，由370 片厚度為1.34mm、重量為102g 的單體電池組成，可在-30℃ 的情況下正常啟動。據美國環保局EPA 官方數據顯示，Mirai 最高續航裡程可達 312 英裡（約 502 公裡）。
2、燃料電池技術解析
電池單體流道構造的創新。豐田 Mirai 配備的新型燃料電池技術，革新性的使用了世界首創的 3D 細孔流道設計。3D 細孔流道為三維的微細格子流道，通過使空氣向接觸電極的方向以紊流形式流動，來促使氧向觸媒層的擴散。另外，通過流道內外形狀的最佳化與流道表面的親水性使生成水快速地從電極排出，抽出到流道表面，防止由於流道堵水造成氣體流動不暢，以此實現電池組內面的發電均一和降低電池組之間電壓的誤差。此外，在電池組內面可以改變流道形式，在空氣極上遊道分緩和紊流，即使在無外部加溼的情況下也能夠控制電極的乾燥。
正極的創新。電解質薄膜採用薄層設計，厚度減小 1/3，導電性提高 3 倍。氣體擴散層通過基材的低密度化和薄膜化，使氧氣擴散性提升2 倍以上。催化劑通過採用最佳的Pt/Co 合金比例， 使催化活性提高了 1.8 倍。除此之外，將碳載體從原來的中空型轉化為中實型，減少載體內部難以有效發揮機能的 Pt 催化劑， 使Pt 利用率提高了約一倍，進而使得Pt 的用量減至原來的1/3。
通過以上技術創新提高了氣體擴散性減低了濃度過電壓；提高了質子傳導性降低了電阻過電壓；提高了催化活性降低了活性過電壓，相當於單位面積不變的情況下，大幅增大了可發電電流， 使電流密度為原來的 2.4 倍。
取消加溼器。新型電池組的結構使空氣流道和電極兩端在宏觀上形成對流，靈活運用電池組內空氣流道下流生成的水，在氫流道上流部加溼氫，通過氫的流動將水蒸氣運送到氫下流部，通過電解質膜使水逆擴散，對電極容易乾燥的空氣流道上流部進行加溼，無需額外添加加溼器。另外，電解質膜薄膜化至原來的1/3，在促進生成水逆擴散的同時，將質子傳導性提高了 2 倍。
通過以上的改進，豐田新型的燃料電池堆體積功率密度達到原來的 2 倍以上（3.1kW/L），最大功率從原來的 90kW 提高到了114kW，相當於電堆的功率提高了36% ，而電堆的體積也實現了24%的小型化。
（二）本田
1、車型基本情況
本田Clarity 搭載的燃料電池體積功率密度為 3.1kW/L，發電總功率達 103kW，整個電堆位於發動機艙內，兩個氫瓶分別布置在後排座椅下方以及後方，最大儲氫量為 141L（約 5kg）。EPA數據顯示，Clarity 最高續航裡程可達 366 英裡（約 589 公裡）。
2、燃料電池技術解析
本田通過不斷技術的改進，使得 Clarity 所採用的新動力系統的電機高度縮小34% ，燃料電池單體的數量減少了30% 。此外，新燃料電池單體自身的厚度也降低了 20%。儘管燃料電池數量有所減少，但每個燃料電池單體的輸出均增加了 1.5 倍，總功率達103kW，每個電堆體積僅為 33L，功率密度達到 3.1kW/L。
新型電驅動兩級空氣壓縮器。它提高了 1.7 倍的空氣輸送能力，壓縮機的體積也縮小了40% 左右。
新型燃料電池電壓控制單元。利用碳化矽功率半導體器件將燃料電池的電壓輸出提高至 500V，不僅可以縮小散熱器的體積，而且能夠讓電機的功率輸出將提升30% 達到130kW，而扭矩也從之前的 256Nm 提高至 300Nm。此外，電機的最高轉速也從之前的12,500 轉提高至 13,000 轉，最高時速上升至 166km/h。
取消加溼器。為了提高燃料電池單元的發電效率，改進了氫氣和空氣的流動方向，令生成的水在電池單元內循環，無需額外添加加溼器，這使得電池的輸出功率提高了 50%，體積減少20% ，降低了生產成本。
（三）現代
1、車型基本情況
2013 年 2 月 26 日，現代發布了世界上第一輛量產版氫燃料電池車 ix35FCV。該車型配備了發電功率為 95kW 的燃料電池， 可在-20℃的情況下正常啟動。同時配有兩個 700bar 的氫瓶，可儲存氫氣 5.6kg，最大續航距離為 415km。
2017 年 8 月 17 日，現代集團官方發布一輛名為新一代 FCEV的燃料電池概念車型，並計劃於 2018 年量產。該車型搭配了現代第四代燃料電池系統7，，相比於上一代系統，對四個關技術進行了升級：燃料電池系統效率、性能（最大輸出功率）、耐用性和氫儲存。
2、燃料電池技術解析
燃料電池系統效率提升。通過提高燃料電池性能、降低氫氣消耗率以及優化關鍵部件，新車型與 ix35 燃料電池車相比，效率提升達60% ，比 ix35 提高了9% 。由於系統效率大幅提升，新車型有望實現單次續航裡程達到 580 公裡（基於韓國的測試標準）。
產品性能（最大輸出功率）提升。與上一代車型相比，新車型最大輸出功率提升了 20%，高達 163 馬力（約 120kW）。除此之外，該系統還提高了車輛的冷啟動能力，經過優化後可以在-30℃ 下順利啟動。
耐用性提高。由於採用了高耐用性催化劑技術，新款氫燃料SUV 的使用壽命較上一代產品有了大幅提升。
氫儲存技術優化。新款燃料電池車在儲氫能力方面也有了顯著提升。通過對塑料內膽結構的創新及高效的分層，減少了氫瓶厚度，重量減少了10% ，儲氫效率提升 25%，實現了世界一流的氫氣存儲能力。與此前兩個不同尺寸的氫瓶相比，新車型搭配了三個同尺寸的氫瓶，並且可以安裝在座椅下方，進而保證行李箱擁有如同燃油車般的使用空間。
（四）日產
1、車型基本情況
2016 年，日產汽車在巴西發布了世界首款由固體氧化物燃料電池（SOFC）驅動的原型車e-Bio Fuel-Cell，該原型車基於海外版NV200 電動版打造，配備了一個 5kW 的固體氧化物燃料電池和 30L 油箱，採用生物乙醇作為燃料發電，向一個 24kWh 的電池提供電能，續航裡程將不少於 600 公裡，計劃到 2020 年正式發售。
2、燃料電池技術解析
無需外供氫。與豐田的技術路線不同，日產這款原型車無需添加氫氣，而是直接添加生物乙醇燃料，通過車內車載改質器的轉化，將生物乙醇轉化為氫氣和二氧化碳，其中的氫氣通過固體燃料電池堆與空氣中的氧氣發生電化學反應產出電能。
降低對氫氣純度的要求。此類型燃料電池車輛，可以使用純度較低的氫氣作為能源供給，並且無需新建加氫站，利用現有加油站就可對生物乙醇進行存儲。雖然固體氧化物燃料電池系統在工作時會產生二氧化碳，但包括甘蔗在內的一些植物在生長過程中需要吸收二氧化碳，因此這種電池能夠實現總體上的碳平衡狀態。
（五）上汽
1、車型基本情況
榮威 950 FULL CELL 氫燃料電池轎車搭載有動力電池和氫燃料電池雙動力源系統，除了常規的補充氫氣外，還可以通過外接充電的形式對電池充電。車內搭載兩個 700bar 氫氣瓶，其氫氣儲量可達4.34 公斤，最大續航裡程為430 公裡，最高時速160km/h， 可在-20℃的情況下正常啟動。
四、總結
（一）動力電池技術與國外具有一定差距
我國目前三元電池廠商主要應用的是 NCM333 和 NCM523 電池，NCM622 已經進入部分企業的材料供應鏈，處於研發階段的NCM811 也有望於近期開始應用，電池單體能量密度將從200Wh/kg 向 250-300Wh/kg 邁進。國際方面，NCM622 已經開始應用（寶馬 i3），NCM811 開始小範圍適用。另外，圓柱型電池也由18650 逐步向 27100 方向發展。國際上Tesla 和松下共同研發的21700 電池的單體容量為 3-4.8Ah，質量為 60-65g，能量密度為300Wh/kg，並且已經應用在了 Model3 車型上。而我國在乘用車領域還沒有 21700 電池應用的案例，但已經出現一些企業開始布局。
（二）我國車用驅動電機技術處於國際領先地位
我國乘用車驅動電機產品功率密度已經達到 3.3-3.6kW/kg（峰值功率/有效質量），最高轉速提高至 12800rpm 以上。國際上寶馬 i3 的驅動電機功率密度為3.8kW/kg（峰值功率/有效質量），與我國驅動電機水平基本保持一致。
（三）我國車用電機控制器技術正在迅速追趕國外同類產品水平
我國電機控制器功率密度已經達到 12kW/L 以上，控制器效率達到98% 以上，僅僅達到博世 2015 年的技術水平。而在定製化封裝下，我國電機控制器的性能將會有所下降，技術差距明顯。但我國企業正在不懈努力的追趕中，目前已經開發出功率密度18kW/L 的定製化封裝電機控制器樣機。
（四）純電驅動技術路線獲得國際認可，增程技術嶄露頭角
日產在 2016 年發布一款名為 e-POWER 的動力系統，該系統屬於串聯式混合動力（增程式），其發動機不再與車輪連接，只起到為電池充電的作用。由於發動機只負責發電，並且一直處於最佳的工作區間，其油耗水平在日本 JC08 測試標準下達到了37.2km/L。
2018 款雪佛蘭VOLT 的動力系統名為Voltec，其特點是整車完全由電機驅動，當電池組的電力耗盡時，可以通過一臺 1.5L 的發動機帶動發電機來為車輛電驅系統繼續提供電能，在純電模式下可以行駛 53 英裡，在增程模式下可以行駛 420 英裡。
由上汽集團自主研發的榮威 eRX5 同樣具有增程模式，並且該系統更傾向於純電驅動的設計，只有在電量低與需要大扭矩輸出時，發動機才會啟動介入。在純電模式下可以行駛 60km，在增程模式下可以行駛 650km。
（五）日本引領全球燃料電池技術發展，我國燃料電池乘用車產業化進展緩慢
2014 年豐田發布燃料電池車型Mirai，其搭載的燃料電池系統體積功率密度為 3.1kW/L（比 2008 年豐田的技術整整提升了2.2 倍），發電功率達 114kW，整個電堆由 370 片厚度為 1.34mm， 重量為 102g 的單體電池組成，可在-30℃的情況下正常啟動，最高續航裡程可達 312 英裡（約 502 公裡）。
本田 Clarity 於 2016 年上市，其搭載的燃料電池體積功率密度為 3.1kW/L，發電總功率達 103kW，最高續航裡程可達 366 英裡（約 589 公裡）。
2016 年，日產在巴西發布了世界首款由固體氧化物燃料電池（SOFC）驅動的原型車 e-BioFuel-Cell，配備了一個 5kW 的固體氧化物燃料電池和 30L 油箱，採用生物乙醇作為燃料發電， 向一個 24kWh 的電池提供電能，續航裡程將不少於 600 公裡，計劃到 2020 年正式發售。
我國燃料電池乘用車以上汽榮威 950 FULL CELL 為代表，其搭載有動力電池和氫燃料電池雙動力源系統，除了常規的補充氫氣外，還可以通過外接充電的形式對電池充電，最大續航裡程為430 公裡，可在-20℃的情況下正常啟動。
五、發展建議
電動汽車的出現為我國提供了一個由汽車大國邁向汽車強國的機遇。建議國家層面要堅定不移的支持電動汽車關鍵技術的發展，持續設立科研項目，特別是在我們還比較薄弱的方面，比如：電池材料、結構設計、產業配套、生產設備等；電機本體永磁化、控制數位化、系統集成化、碳化矽功率器件等；插電式混合動力系統和深度混合動力系統；燃料電池關鍵技術等方面，讓更多的企業參與，群策群力，提升我國汽車工業的國際競爭力。另外，企業要通過加大研發投入來彌補自身短板，主動迎接市場導向階段的到來，主動參加到國際競爭中去。
來源：第一電動網
作者：中國電動汽車百人會
本文地址：https://www.d1ev.com/kol/64346
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