新能源機動車及其關鍵零部件發展趨勢及其檢測平臺的研究

徐達成，裴馮來，任宏偉，范昊天，梁夢晨

（1.上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805；2.國家機動車產品質量監督檢驗中心（上海），上海201805；3.國家新能源機動車產品質量監督檢驗中心，上海 201805）

0 引言

隨著電動汽車向產業化邁進，其快速發展的過程對產品的質量提出了更為苛刻的要求。當前，國家優惠補貼政策正在逐年降低，如何在降低電動汽車的生產成本的同時提高其性能成為了行業研究的重點。而針對電動汽車檢測及研發主要面臨的問題集中在電池、電機、電控、燃料電池發電機和充電接口檢測技術上。本文將結合國內標準狀況，分析電動汽車及其關鍵零部件的發展趨勢，為第三方檢測機構提供平臺建設上的技術支持。

1 發展現狀及瓶頸

目前國內動力新能源電池主要的制約因素為能量密度、電池安全、電池成本和電池壽命等。當前我國主要運用的還是磷酸鐵鋰電池，其優點為成本低、安全性較好，但是其能量密度相對較低，距離國家2020年單體350wh/kg[1]、系統260wh/kg的能量密度要求有很大差距。三元鋰電池能量密度大，電壓高[2]，是未來發展的主流趨勢，但安全性能較差，只能用于乘用車和專用車，不得用于新能源電動客車。電池如何在提高自己的能量密度的同時確保安全性能已成為新能源電池的研究重點。

當前電機主要問題在于高轉速的情況下扭矩下降得比較厲害。同時電機的外形也比較龐大，尤其是商用車的電機。如何提高電機的功率密度，優化電機的外特性曲線也成為了電機未來發展的趨勢。

而針對充電裝置而言，充電功率越大，其充電所產生的能耗越高。基于新能源車輛的無線充電已處于起步階段，如何提高無線充電的效率，降低電磁輻射對人體的影響[3]也是當前需要探討的話題。

世界范圍內，氫燃料電池汽車發展已進入商業化初期，其發展受到氫源基礎設施（包括制氫、儲氫、加氫）、整車、系統、核心零部件及材料全產業鏈技術及商業水平的制約。具體到我國，在補貼政策不退坡和雙積分政策的利好下，氫燃料電池汽車已進入發展的快車道。但跟國際先進水平相比，目前我國在加氫站數量和制/儲氫水平、系統工程化程度、核心部件水平和材料關鍵技術及制備上仍存在著差距。

2 發展趨勢及突破

2.1 目前針對電池

1）動力電池

目前最常用的幾種鋰電池材料有鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、磷酸鐵鋰（LFP）以及三元材料（NMC/NCA）等。從壽命、成本、安全、能量這四個重要性判據來看，這幾種材料的各項表現如表1所示。

鈷酸鋰是首個被成功用作商業化的鋰離子電池正極材料，它有著較高的能量與壽命，但由于鈷資源相對貧乏、價格較高、對環境有毒性等缺點，再加上該材料的安全性能較差、容量相對較低，大大限制了其廣泛的應用和長遠的發展。錳酸鋰電池具有價格便宜，安全性高的優點，而能量密度低、壽命短卻是其不可掩蓋的缺點。磷酸鐵鋰由于其相對低的價格、良好的安全性能以及壽命而被廣泛應用于目前車用鋰離子動力電池的材料中，但相對于三元材料，它的能量密度還是偏低。而三元材料則是目前常用材料中能量密度最高的了，它也有著較高的壽命，可惜鈷元素的稀缺導致了它的高價格，而且其安全性能也較一般。

表1 電池材料性能對比表

除了這些主流材料，有些新興的動力電池材料也在積極研發中，例如石墨烯、硅負極、鋁箔涂炭陶瓷混膠隔膜、芳綸涂覆隔膜、CNT等等。

2）燃料電池

燃料電池汽車發展已進入商業化初期，目前主流的燃料電池有質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池[4]和堿性燃料電池等。其優點為續駛里程長，充電倍率快，而缺點也同樣明顯，即初期投入資本過大。

當前燃料電池的關鍵點主要在于其關鍵材料上。催化劑、質子交換膜、雙極板等均是當前研究的重點方向。目前我國催化劑的研究單位只有大連化物所，其最新研發的催化劑在Pt的含量、催化劑比表面等性能參數達到了國際先進水平。新源動力公司生產的復合質子交換膜在平均厚度、質子電導率及透氣性等方面的參數均優于美國Dupont的NRE212。在雙極板方面，美國通用公司和日本豐田公司相繼開發出了金屬雙極板，從而可滿足高體積功率密度和高質量功率密度的要求，同時，我國在雙極板的厚度、電阻率等參數方面也已經追趕到了世界前沿水平[5]。

3）鋰電池正極材料試驗研究

鋰電池正負極材料的研究是鋰電池技術突破的關鍵點。正極材料中，三元材料以較高的比能量和可接受的成本，被廣泛使用，但其安全性較低一直是困擾電池廠家的問題。關于電池性能，以三元材料為例，不同的鎳鈷錳的含量配比，對電池性能會有顯著影響。從負極材料的角度，石墨類碳材料一直處于負極材料的主流地位，鈦酸鋰具有高安全性和高循環性，雖然比能量相對于石墨負極較低，但其也是未來綠色鋰電池的發展方向。硅碳負極是動力電池新材料。通過在人造石墨中加入10%的硅基材料，可讓電池容量達到550mAh/g以上，電池能量密度可達300wh/kg。現在，這種用硅碳復合材料來提升電池能量密度的方式已是業界公認的方向之一。當前各個高校也在致力于研究鋰電池正負極材料來提高鋰離子電池的性能。

2.2 針對電機電控

電機的功率密度決定著電機的外觀尺寸大小，電機做的越小，存放于車輛中就越方便。研究高功率密度電機在高頻供電條件下，減少損耗，提高效率是電機當前的發展趨勢。目前，通過碳化硅材料設計控制器是提高電機功率密度的一個發展方向。如何攻克低感高密度碳化硅模塊的封裝及碳化硅電機驅動系統的壽命周期成本是需要解決的一大難題。

同時為了提高電驅系統的功率密度，針對電機、電控、車載充電機、DC/DC變換器、傳感器等一體化驅動電機系統也是未來發展的方向。

針對充電而言：

無線充電是未來智能化中必不可少的一項。未來，不管是新能源車不僅可以進行靜態的無線充電，同時可完成動態無線充電，即一邊開車一邊充電。但是，無線充電目前還存在如下一些問題：

1）當原邊和副邊沒有完全重合時，其充電效率受到的影響較大；

2）無線充電的兼容性；

3）無線充電的成本；

4）異物對無線充電的影響；

5）電磁場對人體的危害。

由于目前無線充電處于起步階段，需要進行大規模的試驗數據積累。

2.3 針對新能源機動車

隨著汽車工業的發展和進步，汽車制造行業采用的技術不一，用材不一，導致現有的汽車檢測技術不能夠完全支撐汽車檢測。因此，為了加強汽車檢測技術的時效和成效，汽車檢測逐漸向制度化和標準化發展，以便能夠有效的促進汽車檢測的效率和質量。

車輛檢測設備的網絡化，隨著網絡技術的飛速發展，今后網絡化已經成為車輛檢測的重要方向。加強網絡化，數據化檢測。采用大數據式的檢測，針對需要檢測的車輛，可以隨時調入該類型車輛的數據，就像看病人的病例一樣，利用網絡化，數據化平臺，可以隨時調入該車型，相關車型的數據。并根據歷史數據針對性的對該車輛的某一方面進行測試。

汽車檢測技術標準化，流程化，集成化；根據當前車輛的測試項目，對車輛的檢測技術采用小空間，快速的檢測方法。提高當前檢測方法的效率。減少檢測技術的場地需求。

3 發展規劃

未來基于電力化平臺的智能新能源汽車和測試技術體系化及智能化的平臺必是新能源機動車的發展趨勢。其中基于電力化平臺的智能新能源汽車平臺有：1）傳感器、控制器、執行器的集成；2）綜合能量管理及控制系統（電/電混合）；3）分布式驅動。而基于測試技術體系化及智能化平臺有：1）現有設備的自動化測試系統；2）基于大數據庫平臺的分析系統；3）AI技術應用。

針對上述新能源產業的發展，可從以下幾點進行規劃：

1）硬件能力：中心的設備能力需要跟上產品的進步。這需要我們多參加行業內的標準制定規劃，提早知曉新標準的測試方法及相對應的測試能力，這樣可以盡早規劃設備采購項目，做到新標準能力的全覆蓋。

2）軟實力建設：軟實力也需要跟上設備的更新。工程師在檢測試驗樣品的同時，不能僅是做機械式的無用功，在試驗的過程中需要積累試驗數據，并善于發現問題，進行對比。需要會分析試驗不合格的原因及如何改進的方法。

3）協同創新平臺：和大學進行科研方面的交流，產學研緊密合作。了解當前研究的新內容及發展趨勢，探討以后可能出現的新技術，同時為以后可能會出現的新檢測樣品做好準備。

4）產業化支撐平臺：和整車廠緊密合作，為他們的委托試驗提供設備和人員的幫助。了解整車廠的需求及發展方向。

4 結論

目前，新能源機動車還處在大力發展階段，國內外在技術上還存在著一定的差距。而本文中建立的針對新能源機動車檢測的分析測評體系對新能源機動車的發展起到積極推進作用，為第三方檢測機構對于未來新能源機動車檢測平臺的建設提供了相應的參考依據。