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新能源汽车产业的机遇与挑战
来源:学习时报    作者:蔡蔚    2015-11-25 16:06:55

  我国将汽车电动化产品中的纯电动车BEV、具有被充电功能的混合动力汽车PHEV或带有发动机——发电机组的电驱动汽车REEV以及燃料电池汽车FCEV等称为新能源汽车;而不具备充电功能的发动机——电机油电(气)混合动力,则被归类为节能汽车。2014年底在德国柏林召开的汽车变速箱创新大会上,参会的1200多各国业界专家和工程师参加按键投票,98%预测到2030年每辆汽车至少搭载一台驱动电机。我国汽车产业必须抓住这个千载难逢的历史机遇,紧跟全球汽车电动化的大潮,加快使汽车产业由大变强。

  发展新能源汽车产业势在必行

  国家能源安全的需要。如今,全球可供廉价开采的石油资源不断减少,依赖进口的石油供给对国家能源安全产生严重挑战。2014年我国进口石油已达58%,预计2020年进口量将逼近70%,新增石油进口量的70%将用于日益增长的公路交通或汽车相关行业。发展节能和新能源汽车有利于减轻石油进口压力,增强国家能源安全。

  民生对清洁空气的需要。雾霾是我国特别是人口稠密的一线城市近几十年来所面临的最大环境问题。以北京为例,市政府2014年统计分析认为机动车和工程车微颗粒排放对PM2.5的贡献达22.2%,而今年环保部的分析结果显示大气PM2.5的污染31.5%来源于机动车。究其对空气污染的精确负面影响度仍有待认证,然而5月份APEC会议和9月份阅兵期间北京重现蓝天白云是不争的事实。实践证明,将北京市的机动车实行单双号限行(一半燃油车停行或引入50%新能源汽车)加上适当限制周边重度污染企业开工,“APEC蓝”和“阅兵蓝”不仅可以创造而且可以持续。

  碳排放与燃油经济性倒逼汽车电动化。全球二氧化碳(CO2)排放的23%来自交通领域,而公路交通相关工业占比高达17%。2007年4月美国最高法院将CO2定义为排放,从而使全美国限制汽车CO2排放有了法律依据。美国公司销售前20万辆新能源汽车,可得到0克/公里CO2的评分奖励,超过20万辆以上产销则开始记入上游电力结构CO2排放;达不到燃油经济性指标的汽车公司难以进入美国市场,或即使已经进入也要承受美国政府的巨额碳排放超标罚款。在北美、欧盟和亚太中国等区域,如果没有节能和新能源汽车,便无法满足碳排放法规(中国是规划),故混合动力、增程混合动力和纯电动汽车是全球满足碳排放和公司平均油耗法规(规划)仅有的技术蓝图和产业方向。

  新能源汽车产业发展的突破口

  模块和带电池管理系统(BMS)的集成技术有待提高。与传统汽车的油箱相比,用于新能源汽车驱动的储能单元电池更复杂,是新能源汽车发展的技术难点。究其原因在于汽车动力性要求电池快充快放,即功率较大;而同时要求每次充电后可行驶里程长,即蓄行能量高;再进一步汽车要求体积小、重量轻。根据化学和物理原理,满足以上三种要求的功率密度、能量密度均高的电池技术受限。我国电池单元技术接近世界水平,但是模块和带电池管理系统的集成技术相对落后。随着补贴政策的退坡,受到国际电池供应商的挑战非常严重。

  充电难是电动车发展的设施瓶颈。新能源汽车需要大多数分散的常态充电桩方便用户日常充电,同时需要小部分相对集中、位置合理的快速充电站满足散户快充和集中用户需求。充电桩数量增多、质量提高、标准统一以及充电效率是主流发展需求。无论如何,日充换电数百辆的巨型充电站不符合现阶段电动车用户的实际需求,是一种浪费。

  核心零部件竞争力不足。随着产品市场化的需求和补贴政策的退坡直至取消,国际供应商正迅速扩大市场份额,而我国具有国际竞争力的电驱动系统供应商更是凤毛麟角。在量产成品性价比上,国产控制器竞争力也不足。不仅如此,控制器的核心功率模块从芯片到封装全靠进口,数字信号处理器、膜式电容、专有电路与芯片等几乎98%依赖从欧美和日韩等国进口。实际上我国每年进口功率电子芯片和模块的钱已经远远超过进口石油花费,2014年多于2800亿美元。除了专用芯片、功率电子元器件外,我国的材料、精密机械部件、传感器、高档接插件等方面也落后于发达国家。

  高端设备和产线的自主能力不足。我国自主研发和国产的仪表设备可以满足产业早期“从无到有”阶段的需求,但是随着“从有到优”和国际竞争力提升的需求,实验室必须装备用于稳态、动态性能测试等的高精度、高端设备。我国自主能力受到挑战,基本转向依赖进口或合资供应商。以“工业4.0”代表的德国先进制造业为例,电机系统生产高度自动化、IT化和数据化,而我国电机下线、控制器装配、物流等仍以手工和半自动为主。“中国制造2025”不仅要追赶工业4.0,还要在工业2.0、3.0方面“补课”。否则,不仅中国制造的全球竞争力受到质疑,而且新能源汽车领域既得自主市场也面临倒退回传统汽车“空心化”局面。

  对第三代功率半导体控制器认识不足。业界普遍接受电池是新能源汽车的技术瓶颈、充电设施是运营瓶颈,但是对电机系统,尤其是功率电子挑战认识不足。事实上,我国电池从材料、单元到模块、系统集成全产业链均解决了从无到有的问题,只是竞争力弱;而在汽车功率电子上,我国处于产业链空白,建立在现代功率半导体(IGBT和MOSFET等)基础上的电子电路、芯片和模块几乎全都依赖进口。目前,以碳化硅、氮化镓等为代表的第三代宽禁带功率半导体已经成为电机系统控制器元器件的发展趋势。日本丰田公司已经开发出基于碳化硅控制器的电驱动总成样车,将现有混合动力汽车油耗降低5%,计划2020年批量投产,累计油耗降低10%,而且生产厂房已经建成,包括碳化硅芯片、封装、模块集成和系统集成等。现代功率半导体控制器向第三代宽禁带功率半导体控制器的演化,既是创新赋予的机遇,又是历史发展的挑战。循序渐进地推动全产业链发展,结合推动电机设计和智能产业化以及动力总成的系统集成等核心技术发展,有利于创新汽车产业全球核心竞争力。

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