發(fā)展新能源汽車、推進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化，對(duì)解決傳統(tǒng)燃油汽車高污染、高耗能、高排放問(wèn)題具有重要意義。以新能源汽車為研究對(duì)象，從新能源汽車發(fā)展背景、整車和三電系統(tǒng)綜合分析了中國(guó)新能源汽車目前的產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；提出了中國(guó)新能源汽車目前存在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)尚不完善、電池回收利用率低、基礎(chǔ)器件關(guān)鍵技術(shù)未掌握等問(wèn)題，探討了新能源汽車技術(shù)與產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向和規(guī)劃。

在當(dāng)前環(huán)境污染和溫室效應(yīng)的背景下，新能源汽車由于其環(huán)保與節(jié)能的特點(diǎn)，受到了發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的廣泛重視。中國(guó)作為世界上首批將新能源汽車作為戰(zhàn)略發(fā)展產(chǎn)業(yè)的國(guó)家之一，已經(jīng)成功引領(lǐng)了世界新能源發(fā)展的潮流。如圖1所示，自2015年起，中國(guó)新能源汽車銷量連續(xù)7年位居世界第一，新能源汽車的產(chǎn)量也從2013年的1.8萬(wàn)輛躍升至2022年的近700萬(wàn)輛。隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車的技術(shù)不斷發(fā)展，新能源汽車產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張不斷加速，配套產(chǎn)業(yè)逐步完善，規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，綜合競(jìng)爭(zhēng)力明顯地提升。

圖1 2013—2022年中國(guó)新能源汽車銷量

01新能源汽車發(fā)展背景

隨著能源危機(jī)愈演愈烈，新能源取代傳統(tǒng)化石燃料已經(jīng)成為了一種不可避免的趨勢(shì)。在2021年全國(guó)兩會(huì)中，中國(guó)首次將“碳達(dá)峰、碳中和”寫入政府工作報(bào)告中，明確指出中國(guó)要在2030年前達(dá)到二氧化碳排放峰值，力爭(zhēng)在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，實(shí)現(xiàn)全球碳排放承諾。但是目前中國(guó)仍處于工業(yè)化進(jìn)程中，資源能源消耗總量和碳排放總量仍處高位，綠色低碳的工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)尚未有效形成，迫切需要對(duì)能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造與轉(zhuǎn)型。而新能源汽車作為低碳環(huán)保的重要產(chǎn)品，對(duì)于中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，具有重要的指導(dǎo)意義和重要的推動(dòng)作用。

01 -環(huán)境保護(hù)

節(jié)能與環(huán)保是當(dāng)今時(shí)代主題，節(jié)能減排和綠色可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的方向。隨著人類工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，對(duì)能源的需求也越來(lái)越大，能源的過(guò)度消耗帶來(lái)的資源枯竭和環(huán)境問(wèn)題日益突出，能源問(wèn)題已成為制約經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展的重要因素?，F(xiàn)階段，社會(huì)汽車保有量大，且大多數(shù)汽車仍在使用傳統(tǒng)化石燃料，消耗了大量資源的同時(shí)也增加了碳排放。2021年全球各領(lǐng)域資源消耗與排放情況如圖2所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車1年消耗的石油資源占據(jù)全球石油消耗總量的25.5%，公路汽車碳排放占交通領(lǐng)域碳排放總量的80%以上。解決汽車產(chǎn)業(yè)高資源消耗與高碳排放問(wèn)題、發(fā)展新能源汽車、推進(jìn)新型清潔能源與可再生能源的普及，在當(dāng)今節(jié)能與環(huán)保的時(shí)代背景下極為重要。

圖22021年全球各領(lǐng)域資源消耗與排放狀況

02 -產(chǎn)業(yè)升級(jí)

中國(guó)正處于“后工業(yè)時(shí)代”的大發(fā)展階段，大多數(shù)產(chǎn)業(yè)都在向著節(jié)能減排的方向邁進(jìn)，對(duì)材料和能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求。但是，從能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，中國(guó)依然是全球第一大煤炭生產(chǎn)國(guó)、第二大石油消耗國(guó)，對(duì)傳統(tǒng)化石燃料依賴性依然很高，工業(yè)仍存在高消耗、高排放的問(wèn)題，迫切需要產(chǎn)業(yè)革新。打破資源環(huán)境瓶頸的約束在于轉(zhuǎn)變發(fā)展模式，汽車產(chǎn)業(yè)作為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，是調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的主戰(zhàn)場(chǎng)。促使汽車工業(yè)向電氣化的方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，是有效降低碳排放、減少化石燃料依賴度，逐步實(shí)現(xiàn)碳中和及碳達(dá)峰的重要舉措。新能源汽車作為中國(guó)七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，已成為汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要推動(dòng)者，是中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?/p>

02新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

01 -整體產(chǎn)業(yè)概述

在政府補(bǔ)貼與政策扶持的驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)新能源汽車銷量連年增長(zhǎng)，連續(xù)7年保持世界銷量第一。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷完善，政府新能源補(bǔ)貼不斷下降，國(guó)家工業(yè)和信息化部更是宣布在2023年1月1日起將取消對(duì)新能源汽車的補(bǔ)貼。新能源補(bǔ)貼不斷退坡，在一定程度上對(duì)中國(guó)產(chǎn)業(yè)造成了消極影響，例如2019年中國(guó)新能源汽車銷量增長(zhǎng)率首次轉(zhuǎn)為負(fù)數(shù)，直接引發(fā)了市場(chǎng)對(duì)新能源汽車“確定性”增長(zhǎng)的擔(dān)憂，并傳導(dǎo)至二級(jí)市場(chǎng)。但隨后1年，中國(guó)新能源汽車銷量再度實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)便徹底消除了這種擔(dān)憂，也表明新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)由補(bǔ)貼驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入了相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)展階段。

目前中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)主要圍繞著“三縱三橫”政策發(fā)展，即以純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車、插電式混合動(dòng)力汽車為主要發(fā)展對(duì)象，以動(dòng)力電池與管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電力電子、網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術(shù)為關(guān)鍵研究技術(shù)，提高中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力，不斷完善中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。新能源汽車整體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和一般的汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相比要更加復(fù)雜，擁有數(shù)百個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)，其主要是在傳統(tǒng)汽車行業(yè)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展延伸出來(lái)的，從而誕生了一種新式的龐大產(chǎn)業(yè)鏈，如圖3所示。新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈上游包括各類礦石以及稀土等材料生產(chǎn)企業(yè)，而中游產(chǎn)業(yè)鏈包括新能源汽車的核心零件加工以及整車部分，包括電控系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)以及動(dòng)力電池等，下游產(chǎn)業(yè)鏈則包括各類新能源汽車等。

圖3 新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈

02 -關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

中國(guó)新能源汽車生產(chǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化，與其關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷完善與發(fā)展密不可分。新能源汽車技術(shù)的核心是電驅(qū)、電控和電池技術(shù)，只有突破這3大領(lǐng)域關(guān)鍵部件的技術(shù)關(guān)卡，才能生產(chǎn)具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)新能源汽車的完全國(guó)產(chǎn)化。

在動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)，中國(guó)在世界電池市場(chǎng)中占據(jù)主流地位，單是寧德時(shí)代就占據(jù)了全球動(dòng)力電池55.6%的市場(chǎng)份額。目前中國(guó)市場(chǎng)上主要為鋰電池與燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，其中鋰電池占據(jù)主要地位。鋰電池具備高能量密度、高安全性等特點(diǎn)，發(fā)展起步較早，產(chǎn)業(yè)已經(jīng)較為成熟，已經(jīng)形成了規(guī)范化、規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)集群。鋰電池主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、三元鋰以及磷酸鐵鋰等種類，其中三元鋰和磷酸鐵鋰分別憑靠能量密度高以及正極材料穩(wěn)定性好、循環(huán)壽命高等特點(diǎn)占據(jù)了主要市場(chǎng)，并廣泛應(yīng)用于比亞迪、蔚來(lái)等多款車型。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展，中國(guó)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)水平明顯提升、電池成本逐漸下降，電池能量密度明顯提升。目前中國(guó)三元鋰電池主流產(chǎn)品能量密度已經(jīng)達(dá)到250W·h/kg，遠(yuǎn)超行業(yè)要求的210W·h/kg，但磷酸鐵鋰電池目前大多數(shù)產(chǎn)品集中在160W·h/kg，距離行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)180W·h/kg仍有一段距離。

在電驅(qū)和電控產(chǎn)業(yè)，隨著中國(guó)新能源汽車各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的推進(jìn)發(fā)展，電驅(qū)及電控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)逐漸成熟，開(kāi)始由分立化向集成化、一體化發(fā)展。電驅(qū)及電控系統(tǒng)上流產(chǎn)業(yè)主要有功率轉(zhuǎn)換芯片、傳感器和控制軟件等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年上半年中國(guó)乘用車電機(jī)控制器裝機(jī)量已達(dá)231.6萬(wàn)套，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模為80億元左右。目前中國(guó)電控及電驅(qū)產(chǎn)業(yè)主要由以比亞迪為代表的整車生產(chǎn)商、博格華納等外國(guó)強(qiáng)勢(shì)企業(yè)以及近幾年內(nèi)崛起的上海電驅(qū)動(dòng)、匯川技術(shù)等國(guó)內(nèi)自主企業(yè)組成。國(guó)內(nèi)由于芯片等基礎(chǔ)器件的技術(shù)瓶頸，與國(guó)外企業(yè)還存在一定的差距，2021年就因?yàn)樾酒倘睂?dǎo)致國(guó)內(nèi)近150萬(wàn)輛汽車的生產(chǎn)需求無(wú)法被滿足。但隨著芯片國(guó)產(chǎn)化的趨勢(shì)以及政府、企業(yè)等各界的努力，芯片生產(chǎn)技術(shù)有望突破，相信屆時(shí)新能源汽車會(huì)再次迎來(lái)發(fā)展熱潮。

03-基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

新能源汽車充電設(shè)施和加油站的功能一致，但在中國(guó)目前其規(guī)模與數(shù)量遠(yuǎn)低于加油站。中國(guó)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟最新數(shù)據(jù)顯示，截至2022年7月，全國(guó)充電設(shè)施累計(jì)達(dá)到398.0萬(wàn)臺(tái)，各省市充電設(shè)施分布數(shù)目如圖4所示，全國(guó)71.7%的充電樁分布在廣東省、上海市、江蘇省、浙江省、北京市、湖北省、山東省、安徽省、河南省、福建省等10個(gè)地區(qū)，7月全國(guó)充電總電量約21.9億度。雖然中國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量逐年增長(zhǎng)，在全國(guó)范圍內(nèi)不斷普及擴(kuò)張。但是，中國(guó)充電設(shè)施目前依然無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)新能源汽車巨大的保有量，再加上新能源汽車銷量連年增長(zhǎng)，目前的基礎(chǔ)充電設(shè)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。此外中國(guó)電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施存在分布不均衡的缺點(diǎn)，廣東省、北京市等發(fā)達(dá)地區(qū)充電設(shè)施保有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)發(fā)展相對(duì)滯后的區(qū)域。目前充電設(shè)施按照配電形式可分為直流充電樁和交流充電樁。直流充電樁與交流電網(wǎng)連接，采用三相四線的形式輸入交流電壓，輸出可調(diào)直流電，可以提供較大的輸出電壓和輸出電流，滿足高功率的充電要求，所以直流充電樁又被稱為“快充”；交流充電樁直接與交流電網(wǎng)連接輸出交流電，功率一般較小，充電速度相對(duì)較慢。

圖4 2022年國(guó)內(nèi)各地區(qū)充電設(shè)施

03新能源汽車技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，中國(guó)對(duì)新能源汽車行業(yè)的重視程度不斷提升，新能源汽車已經(jīng)進(jìn)入了發(fā)展中的關(guān)鍵時(shí)刻，相關(guān)技術(shù)越來(lái)越成熟。新能源汽車發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)如圖5所示，主要包括整車技術(shù)、動(dòng)力電池技術(shù)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)、智能控制技術(shù)和燃料電池技術(shù)。每種技術(shù)部分目前都位于世界前列，并且還存在一定的發(fā)展空間。

圖5 新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)

01-整車技術(shù)

就整車技術(shù)而言，整車質(zhì)量對(duì)車輛續(xù)航里程和行駛制動(dòng)等整車性能有非常大的影響。電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的需求發(fā)展使得汽車質(zhì)量有所提升，這對(duì)于車體及車體部件輕量化的要求越來(lái)越高，同時(shí)這也促使新能源汽車輕量化也變得更加迫切。在新能源汽車輕量化關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)中，車身輕量化和三電系統(tǒng)輕量化已經(jīng)逐漸成為高校和企業(yè)關(guān)注的核心問(wèn)題。

新能源汽車車身輕量化的技術(shù)路徑目前主要包括4個(gè)方面，即輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、車身剛度提升、高強(qiáng)度鋼應(yīng)用及先進(jìn)成形工藝應(yīng)用。隨著技術(shù)進(jìn)步，車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真優(yōu)化手段得到了快速提升，近些年安全功能評(píng)估（secure function evaluation，SFE）、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（multidisciplinary design optimization，MDO）等多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用逐漸增多。從整車的碰撞性能以及成本等多方面角度來(lái)看，鋼鋁混合車身的應(yīng)用逐步成為主流，例如特斯拉Model3、寶馬ix3等，其車身用材比例如圖6所示。

圖6 鋼鋁混合車身用材比例示意

純電動(dòng)汽車三電系統(tǒng)包括電池、電機(jī)和電控。其中三電系統(tǒng)質(zhì)量占整車質(zhì)量的25％~40％，是整車質(zhì)量最大的系統(tǒng)。三電系統(tǒng)輕量化技術(shù)研究一般是從集成化設(shè)計(jì)、電池殼體輕質(zhì)材料應(yīng)用、電機(jī)殼體輕質(zhì)材料應(yīng)用等方面開(kāi)展。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)車身、底盤和三電系統(tǒng)的一體化和集成化設(shè)計(jì)。對(duì)于電池系統(tǒng)而言，動(dòng)力電池包殼體的承載和性能要求較低。需要滿足的要求有高強(qiáng)度、高硬度、低密度和低成本等。但是隨著續(xù)駛里程的增加，動(dòng)力電池的數(shù)量會(huì)逐漸增加，這導(dǎo)致了電池包整體的質(zhì)量逐漸增加。因此，為了進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車的行駛里程，減小電池系統(tǒng)對(duì)車輛動(dòng)態(tài)性能和加速性能的影響，對(duì)電池外殼進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。Pan等提出了一種新能源汽車電池包外殼在負(fù)載條件下輕量化設(shè)計(jì)方案，該方案通過(guò)建立非線性有限元電池組外殼模型并開(kāi)展模態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。最后通過(guò)碰撞和擠壓模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案優(yōu)化的外殼模型具有10.41%的輕量化增益。

02-動(dòng)力電池技術(shù)

新能源汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向之一，基于電化學(xué)儲(chǔ)能的動(dòng)力電池作為新能源汽車的核心部件之一，對(duì)于新能源汽車的性能、安全性和壽命有很大影響。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，鋰離子電池技術(shù)的先進(jìn)性和在新興市場(chǎng)的應(yīng)用，已成為全球范圍內(nèi)的研發(fā)熱點(diǎn)，因此鋰離子電池勢(shì)必將在電動(dòng)汽車和新能源領(lǐng)域占據(jù)重要地位。

動(dòng)力電池技術(shù)日新月異，在動(dòng)力電池續(xù)航里程、壽命以及電池安全方面，國(guó)內(nèi)外都取得了一定的突破。在續(xù)航里程方面，東風(fēng)公司自主研發(fā)的新款電池具有超長(zhǎng)續(xù)航的能力。該電池的能量密度突破了230W·h/kg，續(xù)航里程突破1000km。2022年舉辦的國(guó)軒高科第11屆科技大會(huì)中指出，中國(guó)將能夠量產(chǎn)360W·h/kg能量密度的三元半固態(tài)電池。在電池壽命方面，Aiken等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）作為電解質(zhì)鹽的電芯，可以有效減緩電池在極端工況下的容量衰減問(wèn)題。該團(tuán)隊(duì)還指出，在特定使用工況下，新型電池的使用壽命高達(dá)100年之久。在電池安全方面，針對(duì)動(dòng)力電池的研究也逐漸受到各大高校的重視，以“電池安全”為關(guān)鍵詞在知網(wǎng)平臺(tái)檢索發(fā)現(xiàn)，2019年有關(guān)電池安全的文章僅有99篇，到了2022年，有關(guān)電池安全的文章已經(jīng)上升到了139篇，增長(zhǎng)了40%。從高校論文也可以看出中國(guó)在“熱失控”“高溫預(yù)警”等有關(guān)電池安全方面取得的重大突破。

中國(guó)在鋰離子動(dòng)力電池專利數(shù)量方面取得較大優(yōu)勢(shì)。圖7展示了2000—2021年鋰離子動(dòng)力電池專利分布，全球共計(jì)申請(qǐng)相關(guān)專利19801件，其中中國(guó)大陸地區(qū)專利申請(qǐng)就高達(dá)15501件，全球其他地區(qū)專利申請(qǐng)4300件。比亞迪和寧德時(shí)代等中國(guó)公司，早在2003年就已經(jīng)開(kāi)始在鋰離子動(dòng)力電池領(lǐng)域投入大量的研發(fā)力量，布局大批的專利，極大地推動(dòng)了鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。同時(shí)，2009年以后，全球相關(guān)專利的申請(qǐng)量呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，這與新能源汽車的大力發(fā)展息息相關(guān)，由于電動(dòng)汽車發(fā)展，各大廠商都加大了對(duì)動(dòng)力電池的研發(fā)力度，加快了相關(guān)領(lǐng)域的專利布局，鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展也由萌芽期逐漸進(jìn)入了成長(zhǎng)期。然而，動(dòng)力電池受溫度影響很大，如何確保動(dòng)力電池在低溫行駛過(guò)程中電化學(xué)性能不受影響是亟待解決的關(guān)鍵難題。賴玉軍等從專利研發(fā)布局的角度針對(duì)動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)狀分析，目前低溫加熱技術(shù)已成為動(dòng)力電池?zé)峁芾淼暮诵募夹g(shù)。其中，動(dòng)力電池低溫內(nèi)部加熱技術(shù)專利申請(qǐng)量在2002—2021年僅占低溫加熱技術(shù)專利申請(qǐng)量的14.8%。但是由于內(nèi)部加熱技術(shù)的加熱效率和安全性均優(yōu)于外部加熱技術(shù)，其專利申請(qǐng)量比重逐年上升。因此可以看出動(dòng)力電池低溫內(nèi)部加熱技術(shù)將是未來(lái)動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)的主要發(fā)展方向。

圖7鋰離子動(dòng)力電池專利申請(qǐng)量國(guó)家（地區(qū)）分布

目前國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展較快企業(yè)的有蜂巢能源和比亞迪汽車等。為提升電池能量密度及安全性能，蜂巢能源短刀電池采用疊片工藝。通過(guò)極片熱復(fù)合與多片疊加融合技術(shù)在效率方面實(shí)現(xiàn)了極大的突破。對(duì)比傳統(tǒng)疊片路線，每?jī)|瓦時(shí) （GW·h）投資成本節(jié)省30%，單位占地節(jié)省40%以上。同時(shí)，疊片法相比卷繞法，在循環(huán)使用后膨脹力預(yù)計(jì)低40%以上，電池壽命提升10%。比亞迪的代表產(chǎn)品短刀電池是將電芯做成“刀片”狀的細(xì)長(zhǎng)形狀，長(zhǎng)度可以根據(jù)電池包的尺寸進(jìn)行定制。刀片電池在裝配時(shí)可以直接跳過(guò)“模組”這一層級(jí)，從而直接裝配成電池包，該設(shè)計(jì)可以在空間利用率上提升50%。刀片電池能量密度可達(dá)到180W·h/kg，比有模電池組提升大約9%。雖然中國(guó)新能源汽車的動(dòng)力電池發(fā)展已經(jīng)逐步完善，但是如表1和圖8所示的由于電池爆炸而造成電池?zé)崾Э睾突馂?zāi)事故的問(wèn)題依然存在。如何進(jìn)一步提高動(dòng)力電池的安全問(wèn)題顯得尤為重要。

表1 近年部分電動(dòng)汽車起火事故

圖8 近年部分電動(dòng)汽車起火事故照片

03-電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)

當(dāng)前新能源汽車的主要?jiǎng)恿Σ考请姍C(jī)、減速器和電機(jī)控制器相互連接而成的三合一電驅(qū)動(dòng)總成。由于電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)而形成的巨大噪聲越來(lái)越成為新能源汽車的噪聲、震動(dòng)與聲振粗糙度（noise vibrate and harshness，NVH）性能研究的關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。同濟(jì)大學(xué)張友國(guó)等對(duì)車用電機(jī)的NVH性能提出了更高的要求，研究分析了三合一電驅(qū)動(dòng)總成噪聲源和傳遞路徑，揭示了電機(jī)控制器蓋板模態(tài)頻率及剛度和電驅(qū)動(dòng)總成噪聲的關(guān)聯(lián)性，并且建立電控蓋板的模態(tài)優(yōu)化求解模型，得到最優(yōu)的拓?fù)湫螒B(tài)。為了改善NVH性能，通過(guò)在電控蓋板結(jié)構(gòu)上增加環(huán)向筋和徑向筋來(lái)提升模態(tài)頻率和剛度。研究結(jié)果表明經(jīng)過(guò)“加筋”優(yōu)化后，電機(jī)的NVH性能得到了極大的改善。Wang等針對(duì)車用永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子開(kāi)槽優(yōu)化問(wèn)題，提供了一個(gè)新的NVH優(yōu)化方法。通過(guò)永磁同步電機(jī)徑向電磁力的理論公式，對(duì)6極36槽的車用永磁同步電機(jī)的徑向力的空間階和頻率特性進(jìn)行分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論仿真的準(zhǔn)確性，為快速定位NVH的根本問(wèn)題位置提供了全新思路，提高了NVH的優(yōu)化效率。在電機(jī)控制器方面，唐琳等針對(duì)300V直流高壓電池的永磁同步電機(jī)控制器（permanent magnet synchronous motor，PMSM）進(jìn)行研究，提出了新能源PMSM電機(jī)控制器的整體框架，低壓通信電路以及隔離電路方面的設(shè)計(jì)。張友國(guó)等對(duì)新能源汽車電機(jī)控制器的蓋板進(jìn)行了優(yōu)化和降噪處理，文章通過(guò)建立蓋板相關(guān)模型，并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)拓補(bǔ)形態(tài)優(yōu)化，通過(guò)增加電控蓋板環(huán)向筋及和安裝孔連接的徑向筋減弱蓋板的共振和受迫振動(dòng)，從而降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的噪音。

現(xiàn)代信號(hào)處理方法和人工智能技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電機(jī)故障診斷，然而在強(qiáng)噪聲干擾情況下如何精確識(shí)別電機(jī)故障類型仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。近年來(lái)，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷和預(yù)測(cè)方面被廣泛研究應(yīng)用。然而在強(qiáng)噪聲干擾情況下如何精確識(shí)別電機(jī)故障類型仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，針對(duì)該問(wèn)題，汪文龍等提出了基于多尺度信號(hào)調(diào)節(jié)自編碼器的永磁電機(jī)故障診斷研究，通過(guò)采集電機(jī)的震動(dòng)信號(hào)并通過(guò)小波分析分解得到信號(hào)的多尺度特征，隨后根據(jù)多尺度特征對(duì)應(yīng)的精度進(jìn)行原信號(hào)的調(diào)節(jié)和重構(gòu)，再將調(diào)節(jié)信號(hào)輸入自編碼器中，最終提升電機(jī)故障類型識(shí)別的精度。相比于傳統(tǒng)方法，該方法具有良好的抗噪性和穩(wěn)定性。

04-智能控制系統(tǒng)技術(shù)

現(xiàn)階段新能源汽車整車控制系統(tǒng)需要利用人工智能技術(shù)、監(jiān)控設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、視覺(jué)計(jì)算和大數(shù)據(jù)等多種技術(shù)設(shè)備進(jìn)行協(xié)同來(lái)實(shí)現(xiàn)整車控制。新能源汽車整車控制系統(tǒng)的研發(fā)階段主要包括虛擬仿真、硬件仿真、臺(tái)架測(cè)試和三高實(shí)驗(yàn)。通過(guò)科學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試保證新能源汽車整車控制系統(tǒng)能將動(dòng)力表現(xiàn)、能源消耗和安全可靠綜合調(diào)整進(jìn)而實(shí)現(xiàn)性能最大程度的發(fā)掘。相較于傳統(tǒng)汽車，新能源汽車具有更高的電氣化水平，其電子電氣架構(gòu)也更復(fù)雜，可能發(fā)生故障的問(wèn)題點(diǎn)也越來(lái)越多，故障出現(xiàn)后其診斷也變得愈加困難。因此，薛云鴻等提出了一種統(tǒng)一故障診斷系統(tǒng)，從制定協(xié)議規(guī)范、軟件實(shí)現(xiàn)、診斷測(cè)試及實(shí)車測(cè)試4個(gè)角度著手，提高了控制系統(tǒng)的兼容性和安全性。

在智能控制系統(tǒng)中，電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）對(duì)于維持動(dòng)力電池的健康狀態(tài)和安全性起著至關(guān)重要的作用。在大多數(shù)情況下，控制器可以執(zhí)行各種控制，例如過(guò)充、過(guò)流和短路保護(hù)。由于每個(gè)電池組都具有不同的特性，因此還需要使用一系列不同類型的技術(shù)以支持特定車型的電池管理系統(tǒng)。在電池控制系統(tǒng)中，荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）的估計(jì)是電池管理系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模塊的核心。

除了BMS技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車的能量管理系統(tǒng)控制優(yōu)化精度問(wèn)題也逐步得到改善。能量管理系統(tǒng)具有從電動(dòng)汽車各子系統(tǒng)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，控制完成電池的充電、顯示蓄電池的SOC、預(yù)測(cè)剩余行駛里程、監(jiān)控電池的狀態(tài)、調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度、調(diào)節(jié)車燈亮度以及回收再生制動(dòng)能量為蓄電池充電等功能。徐毓辰等研究了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量管理策略，分別基于模糊Q學(xué)習(xí)的能量管理策略、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的能量管理策略、深度確定性策略梯度的能力管理策略3個(gè)角度入手，探討了提升混合動(dòng)力汽車的能量利用效率的措施。

05-燃料電池技術(shù)

國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035）年》是中國(guó)首個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)的中長(zhǎng)期規(guī)劃。2022年上半年中國(guó)氫燃料電池汽車市場(chǎng)高速增長(zhǎng)，6月產(chǎn)銷數(shù)據(jù)再創(chuàng)年內(nèi)新高。單月實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量527輛，銷量455輛，在2021年6月高基數(shù)下，同比依然增長(zhǎng)18.7%、67.3%，環(huán)比更是大漲117%、342%，2022年全年氫燃料電池汽車銷量共計(jì)3367輛，相比去年1586輛增長(zhǎng)112.8%。

隨著氫燃料然電池技術(shù)不斷發(fā)展，車用燃料電池系統(tǒng)耐久性始終是制約燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展瓶頸之一。燃料電池系統(tǒng)耐久性是指燃料電池部件的使用壽命，通常指其在整個(gè)使用壽命期間，電池壽命約占整個(gè)使用壽命的80%。王亞雄等立足車用燃料電池系統(tǒng)電控技術(shù)分析了不同的運(yùn)行工況和運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)對(duì)燃料電池性能衰退的影響，并結(jié)合基于模型的燃料電池系統(tǒng)控制方法可更好地實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、壓力等運(yùn)行參數(shù)的管控，保證燃料電池處于合適工作條件，延長(zhǎng)使用壽命。

目前中國(guó)燃料電池汽車電堆額定功率以50~70kW為主，而國(guó)外應(yīng)用在燃料電池汽車上的電堆功率已超過(guò)100kW，中國(guó)燃料電池汽車的電堆功率等級(jí)普遍低于國(guó)際同類燃料電池汽車電堆功率等級(jí)。國(guó)內(nèi)大部分廠家生產(chǎn)的電堆，其性能指標(biāo)雖然基本達(dá)到了國(guó)家燃料電池汽車技術(shù)路線圖在2020年所設(shè)定的目標(biāo)值，即功率密度≥3.0kW/L、使用壽命≥5000h、電堆功率≥70kW等參數(shù)，但是相比于國(guó)外還存在一定的差距。

同時(shí)，目前燃料電池汽車售價(jià)仍高居不下。影響燃料電池汽車售價(jià)遠(yuǎn)高于其他電動(dòng)汽車的主要原因之一是中國(guó)的電堆制造工藝不完善，電堆研發(fā)制造大約占整車成本的40%以上，遠(yuǎn)高于其他組件。造成電堆成本較高的主要原因是由于電堆中的催化劑所含有貴金屬Pt較高。同時(shí)，電堆的核心組件膜電極制備工藝缺陷較多，使得催化劑得不到較好的利用。在燃料電池電堆成本中膜電極和雙極板是電堆的兩大核心部件，決定了電堆的性能和成本。關(guān)鍵部件方面，膜電極是最為核心的部件，占據(jù)整個(gè)電堆超過(guò)60%的成本。目前，中國(guó)在降低Pt用量方面取得了顯著突破，國(guó)際先進(jìn)水平Pt載量已經(jīng)降至0.125~0.15g/kW，距離美國(guó)能源部的目標(biāo)0.1g/kW已經(jīng)不遠(yuǎn)，性能方面要求膜電極的功率密度達(dá)到300mW/[email protected]，并且催化劑的質(zhì)量活性在循環(huán)3萬(wàn)次后損失不超過(guò)40%。因此，未來(lái)進(jìn)一步提高Pt的利用率，降低催化劑中Pt載量是最為重要的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

圖9 2022年中國(guó)公共充電基礎(chǔ)設(shè)施

04新能源汽車未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

01-產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施包括充電樁、充電站和換電站等，這是推廣應(yīng)用電動(dòng)汽車的基本保障。中國(guó)2022年充電基礎(chǔ)設(shè)施呈上升趨勢(shì)，直到2022年7月已經(jīng)達(dá)到157.5萬(wàn)臺(tái)（圖9）。但是，大多數(shù)充電站建設(shè)均在中國(guó)中部、北部和沿海等地區(qū)，中國(guó)西北、西南地區(qū)和鄉(xiāng)村的充電樁基礎(chǔ)設(shè)施極不完善，當(dāng)?shù)匦履茉椿A(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展緩慢，這種情況降低了西北、西南地區(qū)和農(nóng)村用戶購(gòu)買新能源汽車的欲望，減緩了中國(guó)新能源汽車的發(fā)展。

目前，鄉(xiāng)村地區(qū)的新能源基礎(chǔ)設(shè)施面臨許多困難、設(shè)施不完善，農(nóng)村地區(qū)新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，新能源汽車充電樁建設(shè)陷入困境，缺乏資金和技術(shù)支持是阻礙鄉(xiāng)村新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)上述情況，2022年5月16日，工業(yè)和信息化部聯(lián)合商務(wù)部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于開(kāi)展2022新能源汽車下鄉(xiāng)活動(dòng)的通知》，要求改善新能源汽車使用環(huán)境，推動(dòng)農(nóng)村充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。通過(guò)完善鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)引導(dǎo)農(nóng)村居民綠色出行，促進(jìn)鄉(xiāng)村全面振興，主力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

02-加強(qiáng)“四化”發(fā)展

新能源汽車“新四化”指的是智能化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化。在智能化方面，隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)于整車制造、模塊化平臺(tái)的建設(shè)都有了很高的技術(shù)發(fā)展，在基礎(chǔ)設(shè)施方面5G通信、北斗導(dǎo)航已經(jīng)位于世界前列，為智能化汽車的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)保障，大數(shù)據(jù)平臺(tái)的搭建以及越來(lái)越多的優(yōu)秀算法應(yīng)用在新能源汽車的故障診斷上，無(wú)疑使汽車更加智能化。

電動(dòng)化是指新能源動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域以電動(dòng)化為基礎(chǔ)，以互聯(lián)化為紐帶實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的收集，逐漸達(dá)到智能化出行。智能化的快速發(fā)展也推動(dòng)了電動(dòng)化技術(shù)革新。車用電子產(chǎn)品數(shù)量的提高和精密儀器的廣泛使用大力推動(dòng)了智能化的發(fā)展。同時(shí)，由于智能化的高速發(fā)展，傳統(tǒng)汽車的電子電氣系統(tǒng)又不能滿足于未來(lái)智能出行的需求。因此智能化和電動(dòng)化會(huì)相互推動(dòng)相互促進(jìn)。崔久萍等立足于國(guó)內(nèi)外研究成果，針對(duì)新能源汽車智能化發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了論述。論述指出，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)相融合，汽車產(chǎn)業(yè)會(huì)向更好的方向發(fā)展。同時(shí)，企業(yè)的發(fā)展也會(huì)更加符合綠色發(fā)展的口號(hào)，在讓出行更加便利的同時(shí)也會(huì)讓出行變得更加環(huán)保。

新能源汽車網(wǎng)聯(lián)化指的是車聯(lián)網(wǎng)布局，即利用車載無(wú)線通信設(shè)備和云端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)車輛與車輛、環(huán)境與車輛之間的動(dòng)態(tài)信息交流，提高交通運(yùn)行效率。目前中國(guó)對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)的布局為推進(jìn)以數(shù)據(jù)為紐帶的“人-車-路-云”高效協(xié)同?；谄嚫兄?、交通管控、城市管理等信息，構(gòu)建“人-車-路-云”多層數(shù)據(jù)融合與計(jì)算處理平臺(tái)，開(kāi)展特定場(chǎng)景、區(qū)域及道路的示范應(yīng)用。除此之外，新能源汽車的共享化是未來(lái)汽車的發(fā)展另一大趨勢(shì)。但目前新能源汽車共享市場(chǎng)并不大，共享模式很難形成規(guī)模效應(yīng)，而且市場(chǎng)還在不斷細(xì)分。未來(lái)形成以特斯拉為代表的新能源汽車共享市場(chǎng)會(huì)非常巨大。同時(shí)，隨著中國(guó)“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+”共享經(jīng)濟(jì)的興起，“互聯(lián)網(wǎng)+”汽車已經(jīng)從概念走向?qū)嵺`。汽車租賃作為“互聯(lián)網(wǎng)+”汽車出行最后一公里領(lǐng)域，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。因此，汽車共享將成為未來(lái)新的汽車消費(fèi)增長(zhǎng)點(diǎn)。

但是隨著新能源汽車的“新四化”的快速發(fā)展，越來(lái)越多的法律問(wèn)題暴露出來(lái)，尤其是涉及到無(wú)人駕駛的安全問(wèn)題，無(wú)人駕駛汽車技術(shù)由于其“自動(dòng)”地切斷了駕駛員和事故之間的關(guān)系，導(dǎo)致中國(guó)目前還沒(méi)有明確的法律條文對(duì)其進(jìn)行規(guī)定，同時(shí)“滴滴打車”“共享汽車”“網(wǎng)約車”相關(guān)平臺(tái)的管理制度也有待完善，這些平臺(tái)往往掌握大量的用戶數(shù)據(jù)，但是卻缺少相應(yīng)的監(jiān)管措施，時(shí)常導(dǎo)致用戶數(shù)據(jù)外泄的情況，想要讓中國(guó)新能源汽車發(fā)展得更加健康，相關(guān)的法律法規(guī)問(wèn)題必須得到重視和完善。

03-突破關(guān)鍵技術(shù)封鎖

新能源汽車行業(yè)持久健康的發(fā)展關(guān)鍵要素就是突破國(guó)外的技術(shù)封鎖，其中車用芯片已經(jīng)成為阻礙新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵難題。工業(yè)和信息化部近期指出，中國(guó)汽車芯片供應(yīng)短缺正在逐步緩解，下一步也會(huì)加強(qiáng)供需對(duì)接，在過(guò)去的工作基礎(chǔ)上，搭建汽車在線供需對(duì)接平臺(tái)，暢通芯片產(chǎn)供信息渠道，完善產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作機(jī)制。未來(lái)，汽車芯片行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)仍然是向著高能效、低能耗方向進(jìn)行。汽車芯片技術(shù)存在較強(qiáng)的技術(shù)壁壘，意味著汽車芯片制造并不是單一的企業(yè)可以完成，政策幫助也成為不可或缺的一環(huán)。隨著政府對(duì)芯片制造研發(fā)提供越來(lái)越多的優(yōu)惠政策，使得相關(guān)企業(yè)也加大了汽車芯片的開(kāi)發(fā)力度。未來(lái)汽車芯片行業(yè)的蓬勃發(fā)展將會(huì)不斷完善中國(guó)的新能源汽車芯片產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高質(zhì)量快速發(fā)展的新階段。

新能源汽車當(dāng)前發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)。一是新能源汽車區(qū)域發(fā)展不平衡，目前的主要市場(chǎng)集中在東部和中部，西部和北部的市場(chǎng)潛力尚未得到充分挖掘。二是新能源商用車發(fā)展緩慢。截至2022年，新能源商用車全年滲透率為10.2%，與新能源乘用車27.6%的滲透率相比仍有差距。三是新能源汽車高速發(fā)展的同時(shí)，充電基礎(chǔ)設(shè)施和加氫網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍相對(duì)滯后。四是電池安全技術(shù)有待新突破。近幾年，隨著新能源汽車大力推廣，新能源汽車火災(zāi)事故層出不窮，這嚴(yán)重打擊了新能源汽車用戶的消費(fèi)信心。

05結(jié)論

中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)已建立了良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，占據(jù)了全球較大的市場(chǎng)份額。作為中國(guó)七大新興產(chǎn)業(yè)之一的新能源汽車產(chǎn)業(yè)，受到了國(guó)家的高度重視，中國(guó)政府已經(jīng)出臺(tái)了一系列優(yōu)惠政策推動(dòng)我國(guó)新能源汽車發(fā)展。新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，具有很強(qiáng)的輻射帶動(dòng)能力，許多城市紛紛出臺(tái)政策，加快對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的投資和培育。除了政策扶持之外，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得與新能源汽車相關(guān)的新技術(shù)、新工藝、新方法的研發(fā)和應(yīng)用也大量出現(xiàn)。在多方努力下，新能源汽車的產(chǎn)業(yè)鏈也越加完善，除了加強(qiáng)了產(chǎn)業(yè)鏈韌性以外，從宏觀上也為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來(lái)中國(guó)的新能源汽車的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步向好的方向發(fā)展，相關(guān)的建設(shè)工作也會(huì)取得更佳的成效。

本文作者：洪吉超、梁峰偉、楊京松、李克瑞

作者簡(jiǎn)介：洪吉超，北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京科技大學(xué)順德創(chuàng)新學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)樾履茉雌噭?dòng)力系統(tǒng)集成與智能安全控制。