【文章內(nèi)容簡介】 ；自主開發(fā)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)，效率超過50%，成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握車用百千瓦級(jí)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)、制造以及測試技術(shù)的國家之一。與此同時(shí)，混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵零部件的產(chǎn)業(yè)化全面跟進(jìn)，生產(chǎn)配套能力顯著增強(qiáng)。近來，力神、比亞迪、比克、萬向等動(dòng)力電池企業(yè)投入數(shù)十億資金加快產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，上海電驅(qū)動(dòng)、大郡、湘潭電機(jī)、南車時(shí)代等電機(jī)企業(yè)加強(qiáng)與上下游企業(yè)合作，積極完善產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)。在未來23年內(nèi)，預(yù)計(jì)將形成20億Ah以上的動(dòng)力電池和全系列驅(qū)動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)能力，能夠滿足100萬輛混合動(dòng)力及電動(dòng)汽車的配套要求。? 整車開發(fā)在整車開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)方面，我國混合動(dòng)力汽車在系統(tǒng)集成、可靠性、節(jié)油性能等方面進(jìn)步顯著，不同技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)節(jié)油10%40%。同時(shí)，各汽車企業(yè)對(duì)混合動(dòng)力汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入顯著增強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快。目前，國內(nèi)汽車企業(yè)已將混合動(dòng)力汽車作為未來主流競爭型產(chǎn)品在戰(zhàn)略上高度重視，一汽、東風(fēng)、上汽、長安、奇瑞、比亞迪等都已投入了大量的人力、物力，混合動(dòng)力車型已完成樣車開發(fā)，并有部分車型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小批量上市。? 動(dòng)力架構(gòu)混合動(dòng)力車的動(dòng)力架構(gòu)主要有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)三種方式（如圖5）。串聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)是只用電能驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)“0”排放，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)能夠保持穩(wěn)定、高效、低污染；其缺點(diǎn)是電池組容量要求大，中小型車空間難以滿足，驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)功率要求高，能量轉(zhuǎn)換次數(shù)多、損耗大、效率低，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)和電池組匹配度要求高。并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)是基本為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、總能源轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)動(dòng)機(jī)功率要求不高、成本較低，驅(qū)動(dòng)電機(jī)體積較小、空間適應(yīng)性好；其缺點(diǎn)是動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間布置和相關(guān)控制復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)真正的“0”排放。混聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)是有獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)“0排放”，發(fā)動(dòng)機(jī)要求功率小，提高燃油利用經(jīng)濟(jì)性，各動(dòng)力總成的功率和體積小，有害氣體排放小，綜合能量轉(zhuǎn)化率高；其缺點(diǎn)是需要兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配套多能源動(dòng)力總成控制系統(tǒng)，空間布置困難、成本高。圖5 混合動(dòng)力車的動(dòng)力架構(gòu)方式（2）純電動(dòng)汽車(BEV)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)主要包括電池技術(shù)、充電技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)、電動(dòng)汽車整車技術(shù)以及電池管理系統(tǒng)技術(shù)。11 / 44圖6 整車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖? 電池技術(shù)在蓄電池技術(shù)領(lǐng)域，具有重量輕、儲(chǔ)能大、功率大、無污染（也無二次污染）、壽命長、自放電系數(shù)小、溫度適應(yīng)范圍寬泛等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池技術(shù)逐漸取代鉛和鎳氫電池，成為純電動(dòng)汽車中的核心技術(shù)之一。我國在鋰離子電池方面的研究水平，有多項(xiàng)指標(biāo)超過了 USABC 提出的 2022 年長期指標(biāo)所規(guī)定的目標(biāo)。超級(jí)電容具有充電快、無記憶充放電、充放電循環(huán)次數(shù)高、無二次污染等優(yōu)異特性，但有放電快的缺點(diǎn)；鋰離子電池具有儲(chǔ)電量大、儲(chǔ)存時(shí)間長的優(yōu)點(diǎn)，但充電時(shí)間比較長。取兩者之長，結(jié)合起來使用在電動(dòng)汽車上，除了可以具有傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車的“電代油”和“零排放”主要優(yōu)點(diǎn)外，還具有一次充電行駛距離長（可達(dá) 300 公里）、速度快（可達(dá) 100 公里/小時(shí)）、行使過程中能量回收效率高等優(yōu)點(diǎn)，代表了純電動(dòng)汽車的最新發(fā)展方向之一。如富士重工和 NEC 聯(lián)合開發(fā)“鋰離子電容器”，能量密度達(dá) 30 瓦時(shí)/千克，為先前電容器的 4 倍，達(dá)到了用于純電動(dòng)汽車的實(shí)用水平。? 超快充電技術(shù)采用傳統(tǒng)的慢速充電法，純電動(dòng)汽車充滿一次電要好幾個(gè)小時(shí)。這雖然能夠保證相對(duì)較長的續(xù)駛里程，但由于要安裝許多電池，增加了車輛的重量和成本，對(duì)電池一致性的要求也較高?，F(xiàn)在，快速充電電池技術(shù)出現(xiàn)，具有壽命長（可充電 2022 次以上）、沒有記憶性、可以大容量充電及放電等特點(diǎn)，在幾分鐘內(nèi)就可充 70%80%的電。? 電力驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量輕、效率高且有動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回饋等待性。目前電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無刷電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)四類。? 電動(dòng)汽車整車技術(shù)整車輕量化始終是汽車技術(shù)重要的研究內(nèi)容，純電動(dòng)汽車由于布置了電池組，整車重量增加較多，輕量化問題更加突出。通常通過對(duì)整車實(shí)際使用工況和使用要求分析，對(duì)電池電壓、容量、驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、整車性能等車輛宏觀參數(shù)總體優(yōu)化，合理選擇電池和電機(jī)參數(shù)；通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和集成化、模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕動(dòng)力總成、車在能源系統(tǒng)的重量；此外，積極采用輕質(zhì)材料和利用CAD技術(shù)對(duì)車身承載結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析研究，用計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。? 電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(BMS)管理的對(duì)象是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的電池，面對(duì)動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車上工作時(shí)的苛刻的充放電狀況，防止過充電與過放充、避免深度放電、SOC 12 / 44和剩余行駛里程的預(yù)測。電池在大功率充放電時(shí)，電池組發(fā)熱，在電池箱內(nèi)形成一定的溫度梯度，使得各個(gè)單體電池工作時(shí)的環(huán)境溫度不一致，將會(huì)削弱各單體電池間的均衡性，降低電池組的充放電能力。針對(duì)這樣的情況，BMS 必須具備先進(jìn)的熱量管理能力，維持電池模塊間溫度的平衡，并控制電池的工作溫度在合理范圍內(nèi)。電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池的高達(dá)數(shù)百伏的高壓電，可能危及生命及車輛安全，為了確保電動(dòng)汽車高壓電安全，BMS 需要實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓電路的電氣狀態(tài)、通斷狀態(tài)及高壓電路的接通過程，在發(fā)現(xiàn)異常狀況后能立即通過狀態(tài)線輸出故障狀態(tài)并做出相應(yīng)的動(dòng)作，在危險(xiǎn)的情況下能自動(dòng)切斷高壓電的輸出。BMS 作為電動(dòng)汽車的一個(gè)子系統(tǒng)，在監(jiān)控電池組的同時(shí)，通過總線，必須實(shí)時(shí)的將電池狀態(tài)告知車載動(dòng)力總成系統(tǒng)和其他相關(guān)分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享。BMS 作為汽車電子部件，需要滿足十分嚴(yán)格的汽車電磁兼容性要求。（3）燃料電池汽車(FCEV)燃料電池汽車與其它類型汽車的最大差異在于動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理。傳統(tǒng)汽車是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力裝置。而燃料電池是一種原電池，借助于電化學(xué)過程，其內(nèi)部的燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。一般來說，燃料電池由多個(gè)平板狀疊在一起的電池組成，每個(gè)電池中間夾有高分子電解質(zhì)膜，從燃料電極供氫，空氣電極供氧。氫在燃料電極催化劑的作用下分解成氫離子和電子，氫離子通過電解質(zhì)膜移到空氣極，電子通過外部回路（負(fù)荷）流到空氣極。通過向燃料電極和空氣電極連續(xù)供給氫和氧，電極間形成電位差，持續(xù)向外部回路供電（見圖7）。圖7 燃料電池的工作原理一般而言技術(shù)的發(fā)展需要經(jīng)過4個(gè)階段：第一階段為技術(shù)孕育期，這個(gè)階段企業(yè)進(jìn)入意愿低，專利申請(qǐng)數(shù)量和申請(qǐng)人數(shù)量均很少；第二階段為技術(shù)成長期，這一階段產(chǎn)業(yè)技術(shù)有突破或廠商對(duì)于市場價(jià)值有了認(rèn)知，競相投入發(fā)展，專利申請(qǐng)量與專利權(quán)人數(shù)急速上升；第三階段為技術(shù)成熟期，廠商投資于研發(fā)的資源不再擴(kuò)張，只剩少數(shù)繼續(xù)發(fā)展此類技術(shù)，且其他廠商進(jìn)入此市場意愿低，專利申請(qǐng)量與專利權(quán)人數(shù)成長逐漸減緩；第四階段為技術(shù)瓶頸期，產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)遭遇瓶頸難以突破或此類產(chǎn)業(yè)已過于成熟，專利申請(qǐng)量與專利人數(shù)呈現(xiàn)負(fù)成長。從圖8可以看出，1990年至2022年間，燃料電池汽車技術(shù)的專利數(shù)量持續(xù)增長13 / 44，但申請(qǐng)人開始減少，顯示有進(jìn)入第三階段技術(shù)成熟期的跡象，專利數(shù)量仍在高速增長，但專利申請(qǐng)人數(shù)量開始較少，反映競爭趨于激烈，市場進(jìn)入門檻提高。圖8 燃料電池汽車技術(shù)生命周期圖? 燃料電池雖然燃料電池的工作原理和普通的電化學(xué)原電池和充電電池類似，但是后者是一個(gè)封閉系統(tǒng)，封裝后與外界只存在能量交換而沒有物質(zhì)交換，當(dāng)電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)耗盡或反應(yīng)條件發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)就無法繼續(xù)輸出能源，而燃料電池是由外部的供氣系統(tǒng)供給的，只要保證物質(zhì)供應(yīng)的持續(xù)性，就可保證能量輸出的連續(xù)性，從這一來看燃料電池是開放的發(fā)電裝置。燃料電池存在不同類型，按照工作溫度可分為高（500?C以上）、中（100?C 300?C）、低（100? C以下）三類，按照燃料來源，分為直接式燃料電池（燃料直接使用氫氣），間接式燃料電池（提供其它烴類化合物轉(zhuǎn)化為氫或富含氫的混合氣后再供給）、再生燃料電池（燃料電池產(chǎn)生水再分解發(fā)電）等。目前主要按照電解質(zhì)進(jìn)行分類，正在開發(fā)以下5類商用燃料電池，其主要特征比較如表5所示，其中以質(zhì)子交換膜燃料電池為最有前途的汽車動(dòng)力源。表5 主要燃料電池特征比較電池類型 工作溫度（?C）典型電解質(zhì) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 效率（%）堿性燃料電池 80 KOHH2O 啟動(dòng)快；室溫常壓下工作需要以純氧為氧化劑；成本高70磷酸燃料電池 200 H3PO4 對(duì)CO2不敏感 對(duì)CO敏感；工作溫度高；低于峰值功率輸出時(shí)性能下降40固體氧化物燃料電池1000 ZrO2Y2O3 可以用空氣作氧化劑；可用天然氣或甲烷作燃料工作溫度高 〉60熔融碳酸鹽燃料電池650 Na2CO2 可以用空氣作氧化劑；可用天然氣或甲烷作燃料工作溫度高 〉60質(zhì)子交換膜燃料電池80100 全氟磺酸膜 壽命長；可以用空氣作氧化劑；工作溫度低；啟動(dòng)迅速對(duì)CO敏感；反應(yīng)物需要加濕；成本高〉6014 / 44據(jù)課題組調(diào)查統(tǒng)計(jì)得，國內(nèi)著名燃料電池企業(yè)武漢理工新能源公司、江蘇華源氫能公司、北京金能燃料電池公司、北京飛馳綠能電源公司、上海攀業(yè)氫能源科技公司分別僅公開相關(guān)專利1件、3件、5件、9件、10件。上市公司如佛山塑料集團(tuán)股份有限公司、上海同濟(jì)科技實(shí)業(yè)股份有限公司分別公開相關(guān)專利僅14件、20件。香港上市的山東東岳集團(tuán)雖然突破了國外技術(shù)壁壘，在核心技術(shù)上取得了重大突破，但是公開的相關(guān)專利也很少。在燃料電池領(lǐng)域，我國僅有少數(shù)企業(yè)公開的專利接近或者超過100件。例如，遼寧新源動(dòng)力公司、上海燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)公司、上海神力科技公司公開的相關(guān)專利分別為91件、97件、310件。? 輔助能源系統(tǒng)輔助電池及其管理系統(tǒng)是混合型燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的重要組成部分，在汽車起動(dòng)、加速、爬坡等工況下，需要驅(qū)動(dòng)功率大于燃料電池可以提供的功率時(shí)，釋放存儲(chǔ)的電能，從而降低燃料電池的峰值功率需求，使燃料電池工作在一個(gè)穩(wěn)定的工況下，而在汽車怠速、低速或減速等工況下，燃料電池功率大于驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，存儲(chǔ)動(dòng)力系統(tǒng)富余的能量，或在回饋制動(dòng)時(shí)，吸收存儲(chǔ)制動(dòng)能量，從而提高整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率。目前應(yīng)用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池主要有如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等（見表6）。為解決燃料電池商業(yè)化問題，一方面需進(jìn)一步完善電池，另一方面，從使用的角度，需優(yōu)化電池管理系統(tǒng)，優(yōu)化電池使用，充分發(fā)揮現(xiàn)有電池的性能，并提高壽命。表6 各種電池性能比較鉛酸電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池商業(yè)化時(shí)間 1890年 1956年 1990年 1992年能量密度 差 中 良 優(yōu)功率密度 中 良 良 優(yōu)使用壽命 差 良 中 良經(jīng)濟(jì)性 優(yōu) 優(yōu) 良 中環(huán)保性 差 差 良 良技術(shù)成熟度 優(yōu) 優(yōu) 良 中優(yōu)點(diǎn) 技術(shù)成熟，價(jià)格低，安全性好可快速充電，價(jià)格低，循環(huán)壽命長可快速充電，高功率放電，循環(huán)壽命長能密度高，循環(huán)壽命長，環(huán)保性好缺點(diǎn) 不可快速充電，能量密度低，壽命短，污染環(huán)境能力密度低，污染環(huán)境高溫下性能差，充放電效率差價(jià)格高，安全性未完全了解決，高功率放電性能差? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)是燃料電池汽車的心臟，它的功能是使電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并通過傳統(tǒng)系統(tǒng)將能量傳遞到車輪驅(qū)動(dòng)車輛行駛。其基本構(gòu)成為電機(jī)和控制器，電機(jī)由控制器控制，是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的裝置，控制器的作用是將動(dòng)力源的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于電機(jī)運(yùn)行的另一種形式的電能，所以控制器本質(zhì)上是一個(gè)電能變換控制裝置。目前燃料電池汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要考慮以下問題：（1）感應(yīng)電機(jī)的效率優(yōu)化控制；（2）提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性；（3）無傳感器化。15 / 44 新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈從全球范圍來看，混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車已初步形成了產(chǎn)業(yè)鏈，整車制造企業(yè)與關(guān)鍵零部件的電池廠商合作廣泛（如圖9所示）。三類新能源汽車的產(chǎn)業(yè)鏈包括上游資源、核心零部件、整車、使用配套與設(shè)備四部分（圖10）。圖9 汽車廠商與電池廠商協(xié)作狀況圖 10 新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D（1）混合動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)鏈分析整個(gè)混合動(dòng)力汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈大致分為 3個(gè)部分，即金屬原材料（電池材料）、汽車用動(dòng)力電池、混合動(dòng)力汽車企業(yè)。? 上游原材料碳酸鋰是生產(chǎn)二次鋰鹽和金屬鋰的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于電池、玻璃、陶瓷、鋁制品、潤滑劑、制冷劑及光電等新興應(yīng)用領(lǐng)域。從碳酸鋰的下游分布來看，電池行業(yè)的需求大致占 16 / 4425%左右。碳酸鋰行業(yè)具有極高的資源門檻，因此全球的產(chǎn)能高度集中。目前世界上主要的碳酸鋰廠商主要有 3 家，智利的 SMQ，產(chǎn)量 萬噸，德國的 Chemetall 和美國的 FMC 產(chǎn)量分別為 2 萬噸，合計(jì) 萬噸，占據(jù)全球產(chǎn)量的 90%以上。而國內(nèi)來看，目前上市公司中的中信國安和西藏礦業(yè) 2022 年合計(jì)產(chǎn)量不超過 4000 噸。? 關(guān)鍵零部件電池及電池材料生產(chǎn)：目前磷酸鐵鋰電池材料的主要競爭廠商來自于美國的valence、A123和天津的斯特蘭。天津斯特蘭公司目前擁有年產(chǎn) 500 噸磷酸鐵鋰的生產(chǎn)能力，并計(jì)劃擴(kuò)產(chǎn)到 2022 噸。? 整車制造混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵技術(shù)在于車載動(dòng)力蓄電池，車載動(dòng)力蓄電池的成本占到全部成本的 3050%，比亞迪是同時(shí)具備車載電力蓄電池與整車生產(chǎn)能力的企業(yè)。（2）純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈分析（圖11）? 上游原材料國內(nèi)鋰電池材料（正極）供應(yīng)商主要有北京當(dāng)升、中信國安、湖南衫衫、湖南瑞祥、北大先行，無錫博節(jié)能、沈陽北泰集團(tuán)、西安榮華、美特、鎢業(yè)、博杰、深圳振華、河南思維、重慶普瑞格斯、天驕、恒力電源、新鄉(xiāng)創(chuàng)佳、浙江黃巖江