碳中和目標下新能源汽車技術發(fā)展趨勢*

袁博

（河南省社會科學院工業(yè)經濟研究所，鄭州 450000）

主題詞：碳中和 能量密度 碳化硅 扁線電機

1 前言

碳中和目標將對全球政治、經濟、社會等領域產生重大影響，各國都在積極應對，國際學術界對此展開研究：KR.Richards（2004）通過10余年的研究詳細分析了減少碳排放量的森林碳匯；Hepburn C（2007）系統(tǒng)回顧和總結了《京都議定書》的碳排放交易機制；D Tilman R（2009）分析了全球在糧食、能源和環(huán)境方面的三重困境，認為碳中和是最有效的解決途徑；Lovell Heather C（2010）深入研究了碳補償機制的內在機理；Sovacool Benjamin（2011）從4個方面批判性地提出了全球碳交易市場存在的問題。

近年來國內學者也對此開始進行深入細致的研究：鄧明君（2013）通過應用信息可視化軟件CiteSpaceⅡ生成碳中和理論研究的知識圖譜，深入分析了國際碳中和理論研究的知識基礎和前沿演進軌跡；王燦（2020）認為政府、企業(yè)、個人在邁向碳中和愿景進程中具有至關重要而又各有側重的作用，需要科學的政策體系以形成系統(tǒng)有效的激勵機制，促進資本和人才朝著碳中和技術創(chuàng)新和市場化推廣應用方向快速匯集；鄒才能（2021）認為清潔、無碳、智能、高效為核心的“新能源”+“智能源”體系是世界能源轉型的發(fā)展趨勢與方向；楊解君（2021）認為為達到2060年前實現碳中和的目標，需要確立一些基本實現促進低碳技術創(chuàng)新與應用的技術路徑，建立和完善碳市場的市場化路徑，強化政府引導與規(guī)制的行政化路徑等；王震（2021）在分析油氣企業(yè)的戰(zhàn)略轉型背景基礎上，從5個方面對其碳中和愿景下的戰(zhàn)略選擇進行了重點探討[10]。

2 碳中和目標促進新能源汽車技術發(fā)展

交通運輸產生的碳排放量占全球碳排放總量的26%（圖1），是碳排放的第2大來源，包括海洋、陸地和空中的交通運輸。交通運輸業(yè)的能源消耗較大，據相關數據顯示2020年全球約60%的石油消耗在交通領域，其中汽車作為主要的陸地交通工具，數量占陸地交通運輸乃至交通運輸整體的比例都是最大的，目前全球汽車保有量突破10億輛，其中95%以上的汽車為燃油車，使用汽柴油為燃料，消耗的石油量占全球石油消耗總量的1/3左右。二氧化碳是燃油車尾氣的主要組成部分，全球每年都有大量的二氧化碳隨汽車尾氣排出，汽車尾氣已經成為碳排放的主要來源之一，特別是中國和印度等人口眾多的發(fā)展中國家正處于經濟快速發(fā)展期，人均收入快速提升，對物質文化的需求日益增長，汽車作為便捷的交通工具，自然成為改善生活質量的重要商品，對于相關產品的購買意愿持續(xù)升高，汽車銷量持續(xù)增長，其中中國已連續(xù)多年成為全球最大的汽車銷售市場，2020年和2021年的汽車銷量在全球汽車銷量中的占比均超過30%。隨著汽車保有量的日漸增大，燃油車尾氣排放量預計持續(xù)增加，大氣污染問題日益嚴重，此時急需新的能源替代汽柴油，實現汽車尾氣零排放，對大氣環(huán)境真正實現零污染，于是新能源汽車應運而生。

圖1 全球碳排放總量來源構成[11]

新能源汽車不僅是汽車產業(yè)的未來，同樣也是實現碳中和的重要途徑，目前大部分新能源汽車使用電能作為動力源，少部分使用氫燃料、太陽能等清潔能源，相對于傳統(tǒng)汽車使用的汽油或天然氣，新能源汽車在使用過程中完全不消耗任何化石能源、不產生任何有害尾氣，可以完全實現二氧化碳的零排放，新能源汽車銷量占汽車總銷量的比例逐年提升，在可預見的未來會完全替代燃油車，徹底實現汽車產業(yè)的碳中和。近年來新能源汽車技術開始向更加低碳節(jié)能的方向發(fā)展，無論是核心的三電（動力電池、電控系統(tǒng)、驅動電機）技術還是相關輔助技術的革新都在以達到減少二氧化碳排放量為主要目標。

2.1 動力電池

2.1.1 能量密度

圖2 動力電池能量密度發(fā)展[17]

2.1.2 安全性

新能源汽車自燃率雖然低于燃油車，但動力電池一旦起火，極易產生爆炸，造成遠高于燃油車的人身和財產損失，近年來動力電池企業(yè)除了提升電池性能之外，還積極在電池安全領域創(chuàng)新：2020年3月比亞迪率先發(fā)布主打新能源車輛安全的刀片電池，可以輕松完成針刺試驗，首先搭載于旗下的漢車型，比亞迪漢上市以來銷量節(jié)節(jié)攀升，至今沒有發(fā)生過一起電池起火事故；2021年3月廣汽埃安發(fā)布彈匣電池系統(tǒng)安全技術，并順利通過針刺熱擴散試驗，實現電池包針刺不起火，旗下車型至今沒有發(fā)生過重大安全事故；2021年9月長城汽車發(fā)布大禹電池，可實現電芯化學體系全覆蓋，任意位置的單個或多個電芯觸發(fā)熱失控的情況下保證電池包不起火、不爆炸，率先搭載在旗下沙龍汽車產品。未來動力電池安全性將會顯著提升，為使用者提高更加安全的駕乘環(huán)境。

2.1.3 充換電技術

除了動力電池技術之外，作為新能源汽車重要的保障技術，充換電技術一直在持續(xù)發(fā)展，已經得到巨大提升，其中保時捷在2018年9月推出最高功率可達350 kW的超級充電技術，可以實現普通家用純電動汽車在15 min內充至80%電量，特斯拉、蔚來、小鵬的超級充電樁可以達到180～250 kW的充電功率，實現30 min內充至80%電量，但即使是最快的保時捷超級充電速度目前仍然不及燃油車加油，并且由于涓流充電造成最后階段的充電速度明顯放緩，實際的充電時間可能更長，純電動汽車的充電效率與燃油車加油相比差距仍然明顯。近年來興起的換電池（簡稱換電）技術成為新能源汽車能源補給的新方式，蔚來汽車和北汽新能源的換電站可以實現5 min以內完成純電動汽車的電池更換，幾乎追平燃油車的加油時間，是目前解決里程焦慮的最有效方法。

2.2 電控系統(tǒng)

2.2.1 碳化硅（SiC）功率模塊

電控系統(tǒng)是新能源汽車的控制中樞，其重要性不言而喻，電控技術在新能源汽車產業(yè)初期發(fā)展緩慢，近年來突飛猛進、快速發(fā)展，特別是新材料在這一領域的應用尤為突出，以往的新能源汽車普遍采用IGBT功率模塊，近年來新興的碳化硅開始應用于純電動車型，特斯拉、英飛凌、比亞迪、三菱、日立、中車時代等全球各大IGBT生產商都在積極研發(fā)新能源汽車的碳化硅功率模塊，2018年特斯拉Model 3純電動轎車開始陸續(xù)換裝碳化硅功率模塊，成為全球首款搭載碳化硅功率模塊的新能源車型，此外比亞迪、蔚來等整車企業(yè)已經開始陸續(xù)使用碳化硅功率模塊，顯著提升電控系統(tǒng)的整體效率和使用壽命，進一步降低能耗，是電控技術未來的發(fā)展趨勢。

2.2.2 DMI超級混動技術

混合動力汽車作為純電動汽車替代燃油車的過渡車型，近年來同樣在電控技術方面取得重大突破，以往混合動力汽車雖然可以有效解決長途出行的里程焦慮問題，但饋電情況下甚至高于同級燃油車的能耗成為一大詬病，加之普遍高于同級燃油車的售價，使其處境尷尬，銷量長期停滯不前。2021年1月比亞迪發(fā)布DMI（Dual Mode Intelligent）超級混動技術，史無前例地取消了燃油動力總成中的變速箱，取而代之的是單速行星齒輪，使用自研的驍云發(fā)動機，其熱效率高達43%。DMI系統(tǒng)主要依靠大功率高效電機進行驅動，發(fā)動機的主要任務是在高效轉速區(qū)間發(fā)電，并在合適的時機直接驅動車輛，使其輕松實現饋電情況下的超低油耗，比亞迪DMI車型在饋電狀態(tài)下的100 km油耗普遍低至4 L左右，徹底顛覆之前的高油耗，這一顯著成效不僅依靠高效發(fā)動機，電控系統(tǒng)在其中同樣發(fā)揮了重要作用。這一革命性技術一經發(fā)布，立即引發(fā)業(yè)界震動，DMI車型上市后訂單積壓、供不應求，立即成為市場熱銷車型，促進混合動力汽車的整體銷量。此外理想ONE、嵐圖FREE、金康賽力斯等增程式車型層出不窮，增程式電動汽車的電控技術同樣更新?lián)Q代，持續(xù)熱銷，混合動力汽車市場由于革命性的技術突破重新開始繁榮。

2.3 驅動電機

2.3.1 電機性能驅動電機直接驅動車輛行駛，是新能源汽車的核心組成部分，驅動電機由于在起步階段就可以釋放出最大扭矩，使新能源汽車加速性能遠超同檔次的燃油車，但驅動電機在后程高速階段中轉矩快速衰減，單一齒比也使其極速普遍不如同檔次燃油車。近年來驅動電機技術在功率、布置、系統(tǒng)方面持續(xù)革新：早期的單臺驅動電機輸出功率普遍不足80 kW，隨著生產工藝和技術水平的日漸成熟，驅動電機輸出功率逐步提升，到2018年時普遍在120 kW左右，2019年上市的保時捷Taycan純電動轎跑的后電機功率最高達350 kW，刷新當時驅動電機的最高功率紀錄；由于驅動電機體積小、無需變速箱，可以在車身內布置多個驅動電機，目前大部分在售新能源車型普遍采用單/雙電機配置差異化銷售，豐富不同價位的產品線，部分車型甚至布置3個驅動電機，進一步提升性能；永磁同步電機和交流異步電機各有自身的優(yōu)缺點，近年來整車企業(yè)開始將這兩種驅動電機組合使用，以達到優(yōu)化綜合性能的目的，特斯拉、蔚來等企業(yè)已經推出永磁同步電機和交流異步電機混合搭載的車型，綜合性能較之前車型有明顯提升，驅動電機今后的技術會更加多元化提升。

面向5G的承載網需求及關鍵技術 ……………………………………………………師嚴，王光全，王海軍 24-1-17

2.3.2 扁線電機

驅動電機主要由定子組件、轉子組件、端蓋和輔助標準件組成，而定子繞組中又包括鐵芯、銅線繞組、絕緣材料，定子繞組中采用扁銅線，先把繞組做成類似發(fā)卡一樣的形狀，穿進定子槽內，再在另外一端把發(fā)卡的端部焊接起來。扁線電機與圓線電機的區(qū)別在于銅線的成形方式，扁線有利于電機槽滿率的提升，一般圓線電機的槽滿率為40%左右，而扁線電機的槽滿率能達到60%以上，槽滿率的提升意味著在空間不變的前提下可以填充更多的銅線，產生更強的磁場強度，功率密度顯著提升，扁線之間接觸面積大，相比于圓線電機，扁線電機熱導性能更好，溫升更低，有數據顯示扁線電機溫升比圓線電機低10%左右，另外扁線電機還可以通過節(jié)省端部銅材的方式提升銅線利用率，從而達到降低成本的目的。總體來看，相比于圓線電機，扁線電機效率更高、體積更小、重量更輕、成本更低，是未來驅動電機的必然發(fā)展趨勢。近年來汽車企業(yè)開始逐步使用扁線電機替代圓線電機，早在2007年雪佛蘭Volt就開始使用Hair-Pin（發(fā)卡式扁線電機），2013年日產在其電動汽車產品上使用過扁線電機，2015年豐田第四代普銳斯開始裝配扁線電機，隨著普銳斯的銷量攀升，扁線電機開始得到規(guī)模化應用，之后上汽、長城、保時捷、東風、寶馬、大眾、比亞迪、吉利等企業(yè)相繼在旗下車型裝配扁線電機，未來扁線電機將進一步取代圓線電機，成為新能源汽車驅動電機主流。

2.3.3 集成式電機總成

傳統(tǒng)的驅動電機獨立于動力電池和電控系統(tǒng)，動力電池將電能傳輸給電機驅動車輛，并由電控系統(tǒng)進行控制，各個部分分工協(xié)作，保證車輛整體的穩(wěn)定運行，但分體獨立式結構的缺點同樣十分明顯，特別是驅動電機和電控系統(tǒng)的分離會占據車內更多空間，動力電池相對只能減少布置，同時增加質量，無法進一步增加的電池容量加之更大的車輛質量會減弱其加速和續(xù)駛里程，近年來這一劣勢愈發(fā)明顯。針對這一問題，相關企業(yè)開始研發(fā)整合驅動電機和電控系統(tǒng)的多合一集成式電機總成，既節(jié)省車內空間又減輕車輛質量，最為重要的是使集成式電機總成進一步提高傳動和控制效率，提升車輛整體性能。近年來精進電機（JJE）、方正電機（FDM）、華為（Huawei）等企業(yè)已經推出相關產品，比亞迪在e3.0平臺推出全球首款八合一電機總成，集成驅動電機、減速器、驅動電機控制器、高壓配電箱（Power Distribution Unit）、高低壓直流轉換器（Direct Current-Direct Current converter）、車載雙向充電器、整車控制器（Vehicle Control Unit）以及電池管理系統(tǒng)（Battery Management System），將綜合效率從86%提升至89%，使100 km電耗比同級車降低10%，實現更快的加速和更長的續(xù)駛里程，隨著集成式電機技術的逐步成熟，采用這一結構的車型會日漸增多。

2.4 輔助技術

除了核心技術之外，新能源汽車輔助技術同樣突飛猛進，由于里程焦慮問題一直存在，加之新能源汽車補貼逐步退坡，提高續(xù)航里程成為新能源汽車企業(yè)的當務之急，在動力電池技術暫時無法取得重大突破的困境下，輕量化車身、低風阻系數、隱藏式外飾、熱泵式空調這些有助于提高續(xù)駛里程的輔助技術開始廣泛應用于新能源汽車，對續(xù)駛里程有不同程度的提升，燃油車之前一直無法有效解決的NVH問題在新能源汽車領域迎刃而解，驅動電機的先天靜謐性和平順性使噪音和振動顯著降低，甚至出現高端豪華燃油車的NVH不如價格遠低于自己的低端平民純電動汽車的奇特現象，而智能網聯(lián)技術在新能源汽車先天的結構優(yōu)勢下大放異彩，幾乎成為新能源汽車的標準配置。輔助技術的日新月異不僅使新能源汽車產品核心實力增強，同時舒適性和功能性大幅度提升，新能源汽車的綜合競爭力進一步提高。

3 結束語

新能源汽車技術發(fā)展決定著其產業(yè)的整體發(fā)展走向，碳中和目標使新能源汽車技術發(fā)展進入到一個新的階段，呈現出以下3方面的趨勢。

3.1 低碳節(jié)能趨勢明顯

新能源汽車技術發(fā)展初期主要以提高電機功率和續(xù)駛里程為主，但由于電池能量密度提升緩慢，制造成本居高不下，出眾的加速能力又無法在城市出行場景中完全發(fā)揮出來，使新能源汽車在綜合性能方面優(yōu)勢不明顯，而價格又明顯高出同級別燃油車，使其處境尷尬，早期銷量提升緩慢。近年來相關企業(yè)在進一步提升能量密度和電機功率的同時研發(fā)出更加先進的電控系統(tǒng)和集成式電機以降低能耗，實現續(xù)駛里程的提升，此外碳化硅、扁銅線等環(huán)保高效的新材料的應用使新能源汽車核心零部件生產過程中的碳排放量顯著降低，碳中和目標促使新能源汽車企業(yè)在生產過程和最終產品這兩方面都在向低碳節(jié)能的方向發(fā)展。

3.2 智能化趨勢明顯

新能源汽車由于結構簡單、電子設備較多，十分適合智能化和自動化，近年來人工智能、自動駕駛、遠程網聯(lián)等智能化技術開始廣泛在新能源汽車領域應用，新能源汽車的智能化水準快速提升，目前可以實現遠程聯(lián)網操控車輛、即時OTA系統(tǒng)升級、L3級別自動駕駛等智能化技術，新能源汽車已不再是簡單的交通工具，而是可以與駕乘者溝通并為其提供舒適便捷服務的可移動空間。

3.3 行業(yè)標準化趨勢明顯

早期的新能源汽車產業(yè)發(fā)展不僅整體水平一般，其內部發(fā)展水平同樣參差不齊、差距巨大，企業(yè)間各自制定適合自身發(fā)展階段的技術標準，導致技術參數各不相同，特別是充換電環(huán)節(jié)，甚至出現接口不統(tǒng)一而無法進行充電的情況。近年來相關部門開始制定統(tǒng)一標準，相關企業(yè)開始積極響應，生產統(tǒng)一接口和技術參數的產品，目前已經實現充電標準統(tǒng)一，換電由于技術難度高、參與企業(yè)少，統(tǒng)一標準還尚需時日，目前相關部門已經出臺標準，在可預見的未來將實現換電標準的完全統(tǒng)一。

隨著碳中和目標成為全球環(huán)境保護的重要發(fā)展方向，新能源汽車技術將向更加低碳節(jié)能的方向發(fā)展，今后將會有更多相關的新技術涌現。