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关键技术初具雏形 中国电动汽车展翅欲飞

菜鸟
2010-11-10 10:49:32    评分
    早在上世纪九十年代初,美国、日本、欧洲等主要汽车生产国就实施了一系列政府计划,以支持发展新能源汽车。经过十几年的探索,以实现汽车电动化为最终解决 方案的技术路线日益清晰,相关技术和产业取得一定进展,全球汽车工业孕育着一场重大技术革命。金融危机爆发后,以美国为代表的汽车生产大国,将发展电动汽 车作为经济刺激计划的重要组成部分,加大了政府支持的力度,以期达到抢占国际竞争制高点、恢复经济增长、保障能源安全、应对气候变化的多重目标。可以预 见,有关政府的强力支持,将明显加速产业化的步伐,电动汽车将成为全球重要的新兴产业。

  我国作为新兴的汽车生产大国,既面临产业技术转型的严峻挑战,也出现了难得的历史机遇。调查中发现,我国具备加速推进电动汽车研发和产业化的基 础和条件。如果战略目标明确,政策措施得当,我国有可能像日本在经历石油危机之后以节能紧凑型汽车确立全球竞争优势一样,在电动汽车领域实现技术跨越,形 成竞争优势。

我国电动汽车的研发取得重要进展

  1.电动汽车研发已近十年,并取得积极进展
  我国从“十五”时期开始实施新能源汽车科技规划,“863”项目共投入20亿元研发经费,形成了以纯电动、油电混合动力、燃料电池三条 技术路线为“三纵”,以多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性技术为“三横”的电动汽车研发格局。共计200多 家整车及零部件企业、高校和科研院所,以及3000多名科技人员直接参加了电动汽车专项研发。
  经过近十年的发展,我国电动汽车的研发取得明显进展。已形成约1800项专利,并开发出了多款电动汽车样车。目前,共有48个型号的各类电动汽车获得 机动车新产品公告,其中,比亚迪、奇瑞、长安等企业的插电式和油电混合动力汽车已具备上市销售的条件,天津清源公司开发的纯电动轿车累计出口美国、欧盟 1300辆以上。全球规模最大的新能源汽车应用试验示范计划,自今年起在全国13个城市逐步推进。

  2.三大关键技术初步具备支撑发展电动汽车的能力
  发展电动汽车的关键在于我国企业能否掌握核心技术。电动汽车的关键核心技术有三个:一是动力电池,二是电机,三是控制系统。其中,动力电池最为关键,其性能指标和经济成本决定了电动汽车的商业化进程。
  动力电池研发产品的主要性能居国际先进水平,电池产业基础雄厚,但需要解决一些薄弱环节。我国动力电池关键技术、关键材料和产品研发取得重大进展,与 日本、美国、德国等国际先进水平比较,总体水平相当,比亚迪、力神、雷天等企业开发出的镍氢和锂离子两种类型、多个系列的车用动力电池,能量密度、功率密 度(能量密度、功率密度是指单位重量的能量和功率,前者决定了电动汽车的续航里程和重量,后者决定了汽车的动力性)等主要性能指标居国际先进水平(见表 1)。电催化剂、复合膜、双极板等关键材料也取得重要进展。

表1 我国动力电池技术与国际水平比较



  从产业基础看,我国是仅次于日本的全球第二大锂电池(应用在纯电动和插电式混合动力汽车上)生产国,占全球约25%的市场份额。虽然目前的产品主要应 用于手机、电动工具、电动自行车等领域,但产业规模庞大、产业链基础较好、生产工艺共性点多,具备大规模发展汽车用动力电池的条件。近一段时间,中信国安 盟固利、比亚迪等企业已投资十多亿元,建设磷酸铁锂或锰酸锂动力电池的生产能力,比克、力神、北大先行、威利克、寰宇、海霸、万向等企业也在加快投资。汽 车用动力电池开始由研发进入到产业化阶段,并出现了加快发展的势头。

  动力电池的研发和产业化仍存在如下两个薄弱环节:一是原理性基础研究相对薄弱,虽然目前的动力电池主要性能指标处在国际先进水平,但与理论值相 比仍有数倍差距,在全球开展竞争性研发(如美国政府投入20亿美元用于电池的研发)背景下,产业的有利地位十分脆弱,战略机遇稍纵即逝。二是生产工艺技术 的开发落后与电池技术的开发,而且因存在大量的专有技术难以通过设备引进加以解决,因而影响电池产品的一致性和稳定性。

  电机工业规模大,车用电机产业化起步较早,与国际先进水平差距不大。我国电机产业规模居全球首位,中小型电机约有300个系列,1500个品 种,产品量大面广。汽车用电机驱动系统在性能、体积重量、环境温度适用性、成本等方面有更高的要求,呈现出永磁化、数字化和集成化的发展趋势。上世纪90 年代末,中科院电工所、华中科技大学、哈尔滨工业大学等单位分别研发出车用电机驱动系统。进入“十五”以后,车用电机的发展加速由技术研发转向产品开发, 涌现出上海电驱动有限公司,株洲南车时代电动汽车股份有限公司等专业化公司。近年来,随着电动汽车的发展,国产电动汽车电机性能有了很大提高,科学院电工 所、华中科技大学、中船712所等单位开发的车用电机取得重要进展。自主开发的车用电机,重量比功率超过1300瓦/千克,最高效率达到93%,居国际水 平。部分产品已应用到我国主要汽车生产企业的电动汽车中。

  总体来看,车用电机的产业化起步早于动力电池,与水平最高的日本相比虽有差距,但随着电动汽车的发展,车用电机产业有能力进一步提高性能,加速推进产业化。
  电动汽车的控制系统研发取得进展,需要在关键部件等方面取得突破。电池管理系统是电动汽车电控系统的重要零部件,国内很多高校、科研院所和企业积极开 展电池管理系统的研发工作,并取得较大进展。北京航空航天大学、北京交通大学等高校和部分企业研制的电池管理系统,已经在国家多项示范项目及一汽、东风电 动、长安、天津清源等企业中得到应用,积累了装车经验和实际运行数据。从总体上看,我国开发的电池管理系统达到了功能要求,但在功能的完备性、状态估计的 准确性、工程应用的可靠性上与丰田、本田等企业相比还存在明显差距。控制系统中关键部件IGBT(功率开关元件)的差距较大,国际上只有少数几家企业具有 研发和生产能力,国内需求基本依靠进口,目前嘉兴斯达、常州宏微等企业已开始投入车用功率半导体的研发。

  概括来说,在整个工业体系中,电动汽车是为数不多的具备一定技术能力的产业领域。电动汽车的三大关键技术,具备了一定的研发能力和加快推进产业化的条件,我国基本有能力依靠技术创新实现电动汽车的产业化,在电动汽车领域实现跨越式发展。

我国具有明显的成本优势和资源保障能力

  1.成本优势已经显现,商业化条件优于日、美
  电动汽车经济性决定了其商业化的进程,而电池成本又是影响电动汽车经济性的最关键因素。目前国产车用动力电池已显示出了较明显的成本优 势,部分企业能量型动力电池成本仅是日、美企业的一半左右(见表2),尽管日、美等国制定了大幅度削减电池成本的计划,届时我国仍将保持成本优势。这就意 味着,我国电动汽车的商业化有条件加速推进,并以成本优势实现大规模出口。

表2 动力电池成本的国际比较


  此外,进一步削减电池成本的潜力巨大。隔膜占电池成本的比例较高(小批量生产时占38%,10万套规模生产下降到24%),国内隔膜产品基本靠进口, 目前已有国内公司开发出隔膜产品,其成本只及日本的三分之一;正负极材料(小批量成本占电池成本的27%,批量生产占19%)技术也有可能实现突破,进而 大幅度降低成本。此外,规模经济可明显降低成本,按照成本趋势分析,电动汽车达到50万辆规模时,电池成本与10万辆相比可降低40%左右。

  2.发展电动汽车有较好的资源保障能力
  电动汽车新增组件涉及的资源消耗主要与动力电池和电机有关,包括锂(磷酸铁或锂锰酸锂,电池正极材料)、铝箔、铜箔、稀土(稀土永磁材 料作电机转子材料)等资源。我国是世界锂资源第三大国(见表3),而且资源分布比较集中,盐湖卤水锂主要分布在青海、湖北,工业储量占52%,矿石锂集中 分布在四川、江西、湖南、新疆四省区,占全国储量的98%。我国稀土永磁材料资源量居世界首位,占世界总储量的一半,稀土产品产量占世界市场的90%以 上。铜、铝虽然国内保障能力不足,目前三分之二铜精矿石、三分之一的氧化铝需进口,但有关国际机构(如国际铜业协会)认为,电动汽车的发展并不会对全球的 铜等资源供应格局产生根本性影响,再加上铜、铝等资源的再生性能好,电池的回收利用就有较大的资源利用潜力。
  由此可见,我国发展电动汽车有一定的资源保障能力,相对于美、日而言更有资源优势,并不会出现严峻的资源供应安全问题。

表3 2006 年世界锂资源储量和储量基础(金属量)

数据来源:Commodities Summary 2007

 

发展电动汽车符合我国能源可持续发展的要求

      电动汽车的电能仍需要一次能源转换而来,特别是针对我国能源结构和利用现状,发展电动汽车是否符合 节能环保以及能源可持续发展的要求,有人对此提出疑问。为回答此问题,我们利用国际上普遍采用的“从矿井到车轮(Well to Wheel)”的全过程分析方法(所谓“从矿井到车轮”的全过程分析方法,是指从资源的生产、转换、做为车用能源、汽车利用效率全过程,分析不同的技术路 线对能源消耗(按热值)、环境污染的影响。如纯电动汽车是“煤-电-电动机”的能源应用路径,传统汽车是“石油-汽柴油-内燃发动机”的路径,对全路径的 折算成热值后的能源消耗、二氧化碳排放等指标进行计算,从而分析这两条技术路线的优劣),针对纯电动汽车(电能来源仅考虑最差的情况,即由煤发电)、传统 汽柴油汽车、煤基燃料(煤炭液化)不同的技术路线,分析在能源消耗、二氧化碳排放方面的优劣。主要结论如下:
  一是纯电动汽车单位行使里程所消耗的一次能源(折成热值)以及排放的二氧化碳,大体上与传统的汽柴油车相当,能源消耗略好,二氧化碳排放略差。
  二是利用我国的煤炭资源解决机动车能源有两条技术路线:其一是煤发电-电驱动汽车;其二是煤制油-替代石油驱动汽车。研究表明,纯电动汽车的能源消耗和二氧化碳排放明显好于煤基燃料。
  三是如果进一步改善电源结构,提高水电、核电、可再生能源发电的比例,以及进一步提高燃煤发电效率(如采用IGCC煤气化联合循环技术),电动汽车的化石能源消耗以及污染物排放还可进一步降低。
  除此之外,发展电动汽车可利用低谷电,并实现电力调峰功能。2007年底,我国电力装机容量已超过7亿千瓦,一天的低谷电约9.2亿千瓦时,可供数量 庞大的电动汽车同时充电。如果利用峰谷电价政策,激励消费者利用低谷电,可有效利用发电能力,在不大规模相应增加发电能力的前提下,发展电动汽车。
  纵上所述,电动汽车是符合我国国情、替代石油的较理想技术路线,有利于保障能源安全、减少环境污染、应对气候变化。

发展电动汽车需注意的几个问题

      1.发展电动汽车与发展其他新能源汽车技术的关系
  目前,新能源汽车技术进步很快,存在着多种技术解决方案,主要包括电动汽车、燃料电池汽车、插电式混合动力汽车、油电混合动力汽车、替 代燃料(生物燃料、煤基燃料、天然气)等(见附图),有些技术是方向性的,有些是权宜性的,技术发展的前景和产业化进程也有相当的不确定性,从而对政府明 确发展重点、制定支持政策带来挑战。
  普遍认同的技术发展趋势是汽车电动化,而实现电动化又存在着纯电动和燃料电池两个方向性技术路线,目前的状况是,前者的电池能量密度需进一步提高,而 后者在制氢和经济性方面存在缺陷,未来哪个占主导取决于技术的进步,也有可能两个技术共存并应用在不同的领域(如电动车应用在行使里程不长的市内交通 中)。当前电动汽车实现产业化的基础和条件优于燃料电池汽车,但纯电动汽车的产业化进度仍有不确定性,快与慢取决于电池技术,而此技术路线下的过渡性技术 ——混合动力以及向纯电动更加靠拢的插电式混合动力汽车,其产业化风险很小。因此,我国以电动汽车为产业化的重点,并考虑过渡技术的发展,其技术风险较小 且能发挥电池工业的优势。
  实现电动汽车对传统汽柴油汽车的大规模替代,将是一个较长的过程,可能要十年甚至更长的时间。这样,一方面要加快推进电动汽车的产业化,抢占全球竞争 的制高点;另一方面也要从长计议,不能急功近利。在时间较长的技术转型过程中,还要鼓励发展替代燃料,提高传统汽车的燃油效率标准,发展先进汽柴油技术。
  2.既要避免一哄而上,又要保护好投资者的积极性
  产业的技术革命,必然引发利益格局的大调整以及产业链的重构,尤其是我国汽车企业在技术能力、经济规模等方面不具优势,在电动汽车发展 中就不如美、日等国的汽车企业起到支配作用,这样,发展电动汽车带来的诱惑,就容易形成一哄而上、良莠不齐的局面,这在过去新兴产业发展中曾有十分惨痛的 教训。事实上,目前已出现了电动汽车热、电池热的苗头,“电池企业上汽车,汽车企业上电池”,投资冲动十分强烈。
总体而言,当前的情况是积极的,但需加以引导和规范。其方式除了标准和准入政策等手段外,还需要关注我国重视不够、发展滞后的产业联盟方式。上世纪九十年 代初,美国就组建了针对新能源汽车的产业联盟——USCAR,旗下包括先进电池联盟(USABC)在内数量众多的分联盟,目前实施的插电式混合动力汽车发 展政府计划,主要借助联盟加以实施,政府资金也重点支持联盟,力图通过提高组织化程度实现超越日本的目标。我国的企业技术基础薄弱、规模相对不大,更需要 产学研用的紧密结合,建立电动汽车战略联盟,以形成合力。
  3.应采取需求侧与供给侧的双向激励政策
  我国电动汽车局部技术取得优势的地位十分脆弱,产业化的进展略落后于日美等国,在新一轮全球竞争面前,我国应在需求与供给两方面予以支 持和激励,方能后来居上。从今年开展的新能源汽车应用试验示范项目来看,由于产业化未准备好,以及地方保护等原因,一些项目蜕化成为进口关键技术(电池、 电机、电控)组装新能源汽车,有些地方出现了明显的地方保护,这与发展新能源汽车的初衷和战略目标相悖。这种现象必须予以纠正,更需要处理好购置补贴政策 与电动汽车产业化节奏的衔接。
  美国用于支持插电式混合动力汽车发展的联邦政府预算高达140亿美元,其中绝大多数是用于供给侧(包括研发资助和技术创新贷款担保)。相比较而言,我 国的需求侧激励政策(购置补贴)与美国相当,而供给侧的支持力度明显不足,考虑到产业的发展现状,我国需进一步加大对供给侧的支持,特别是动力电池研发和 产业化的经费支持。

图1 不同技术路线的全过程能源消耗对比
(基于煤电的电动车技术路线为1)

图2 不同技术路线的全过程CO2排放对比
(基于煤电的电动车技术路线为1)

 

 
 

 

 

政策建议

  1.制定电动汽车发展规划,加强部门间协调
  从全球电动汽车的竞争格局看,日本在产业化方面略占先机(主要是混合动力汽车),美国等研发起步早,产业化有所落后,奥巴马政府明确了 插电式混合动力汽车为重点,力图后来居上。我国发展电动汽车具有消费市场增长快、规模大,制造成本低,技术取得局部突破,资源保障能力强的四大优势,也存 在整车企业支配能力不强(主要企业技术来源依靠合资外方),技术基础不牢固,充电设施需大规模投资的三大劣势,我国发展电动汽车,需要发挥优势、扬长补 短、突出重点。当前的电动汽车热,是在政府新能源汽车技术路线和发展重点未明确的情况下出现的,这样,对企业而言存在较大风险和不确定性,对政府而言难以 集中资源实现重点突破,也难以有效引导社会投资。
  建议尽快制定我国的电动汽车发展规划,明确战略方向、发展重点、阶段目标和重点任务,并对动力电池的主要性能、成本削减提出阶段性目标,可考虑2015年电动汽车的发展目标为100万辆左右。
  目前,发改委、工信部、科技部、财政部等部门,从不同的角度对新能源汽车的发展给予了很多支持,但仍需进一步提高政策的协调性,建议设立电动汽车产业化领导小组,以加强领导和形成政策合力。
  2.组建电动汽车产业技术创新联盟
  发挥行业协(学)会的作用,采取自愿的原则,政府加以适当的引导和协调,组建电动汽车产业技术创新联盟,针对关键性技术设立若干分联 盟。整合全国的优势资源,突破行业界限,鼓励各类所有制企业加入产业联盟。构建产业共性技术的研发和产业化平台,重点突破关键瓶颈技术和系统集成技术,推 动电动汽车整车及关键零部件的研发和产业化。政府应通过技术研发和产业化专项资金支持产业联盟。同时,要积极探索形式多样的国际合作,吸收国际汽车产业的 先进科技成果,力争走出一条开放式的自主创新之路。
  3.加快制定标准和修订准入政策
  目前我国的电动汽车标准和技术法规比较缺乏,政府也缺少利用标准和技术法规实行规范管理的手段。建议由电动汽车产业化领导小组(建议组 建)牵头,组织有关专家,对现行标准和拟增加的标准进行全面梳理,区分轻重缓急,提出标准制定计划,加快制定当前最需要的标准和技术法规。尽快形成电动汽 车整车和零部件、试验认证、安全检验、充电设施等一系列技术标准体系,鼓励协会制定标准。进一步严格标准的管理和实施。修订现行汽车产业政策中的准入条 件,放松规模准入要求,提高技术准入门槛,使其更加适应电动汽车发展的特点和现状。
  4.进一步加大对电动汽车研发和产业化的支持力度
  电动汽车整车和关键核心技术的研发,可在“863”计划的框架下,加大研发支持的力度。设立电动汽车产业化专项资金,重点支持关键核心 技术(如动力电池)的产业化,资金主要用于中试能力、试验认证能力等方面的建设,以及投资项目的贴息。此外,还需要整合各部门的相关政府资金,在支持项目 的选择方面增加协调性,进一步提高政府资金的使用效率。
  5.制订中长期电动汽车基础设施建设规划
  停车设施不足,需要对充电设施进行大规模投资是我国发展电动汽车的劣势之一。政府需联合电力部门制定电动汽车基础设施发展规划,在城市 路网、公路线、居民区、公共停车场建立电动汽车充电设施,鼓励社会力量参与建设和经营,鼓励探索多种形式的充电方式和商业模式(如更换电池)。鼓励地方政 府建立电动汽车应用示范区。研究峰谷电价政策,引导和鼓励电动车用户利用低谷电。
  6.选择适当时机对消费者实行购置补贴
  视产业化的进展,选择适当时机将新能源汽车购置补贴政策扩大到普通消费者。一方面要处理好产业化进展与购置补贴政策引入时机的关系,既 要避免购置补贴政策实施过早,而起不到支持我国企业技术创新的作用,也要充分发挥需求侧支持政策对企业的激励作用;另一方面要完善购置补贴政策,视情况加 大对我国优势技术的补贴力度(如美国是对本国的优势技术——插电式混合动力汽车加大购置补贴力度)。此外,购置补贴政策应给出实施期限,并逐步减少补贴 额,以激励企业致力于降低成本。

附图 新能源汽车的不同技术路线


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