新能源汽车政策跟踪解读:2017年国家重点研发计划“新能源汽车”专项

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【导读】

科技部官网近日发布了“新能源汽车“等14个国家重点研发计划专项的申报指南。”新能源“汽车专项将抓住新能源、新材料、信息化等科技带来的新一轮技术变革机遇,超前部署研发下一代技术。本试点专项按照动力电池与电池管理系统、电机驱动与电力电子、电动汽车智能化、燃料电池动力系统、插电/增程式混合动力系统和纯电动力系统6个创新链(技术方向),共部署38个重点研究任务。现就部分关键技术做一解读。

一、“新能源汽车”专项研发计划的目的

为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》、《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》以及国务院《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》等提出的任务,国家重点研发计划启动实施“新能源汽车”试点专项,根据本试点专项实施方案的部署。

二、本试点专项总体目标

继续深化实施新能源汽车“纯电驱动”技术转型战略;升级新能源汽车动力系统技术平台;抓住新能源、新材料、信息化等科技带来的新能源汽车新一轮技术变革机遇,超前部署研发下一代技术;到2020年,建立起完善的新能源汽车科技创新体系,支撑大规模产业化发展。

三、和新能源汽车有关的关键技术

1.动力电池与电池管理系统

(1)高安全高比能锂离子电池技术(重大共性关键技术类)

研究内容:研发高容量正极、碳/合金类负极、高安全性隔膜和功能性电解液;开发极片/电池的新型制造技术、工艺及装备等;研究影响电池均一性和寿命的工艺因素。开展电池的热-电耦合行为、热失控及其扩散机制、安全风险识别与评估方法的研究,建立从材料、单体到系统的多级安全性技术体系,研究电池的安全评价技术与测试方法,开发高安全、长寿命的高比能锂离子电池。

通过研究要达到:电池单体能量密度≥300Wh/kg,循环寿命≥1500次,成本≤0.8元/Wh,安全性达到国标要求,年生产能力≥1亿瓦时。

点评:我国动力锂电池当前存在的问题,首先是制造的一致性问题,由于在锂电池的制造工艺和设备上存在差距,使得国内锂电池的生产工艺参差不齐,制造标准还达不到一致性。电池能量密度不够高,使用寿命安全性还有待提高。

(2)动力电池系统技术(重大共性关键技术类)

研究内容:开展电池系统总体设计研究,包括:构型、功能、机-电-热一体化,以及系统轻量化和紧凑化等;开展子系统设计研究,包括:先进电池管理系统和热管理系统,安全与防护系统等;研究电池系统的制造工艺与装配技术;开展电池系统的安全性、耐久性、可靠性设计与验证技术研究;研究电池系统的性能评价与测试技术。

通过研究要达到:电池系统的能量密度≥200Wh/kg,循环寿命≥1200次,全寿命周期内全工作温度范围的SOC、SOP和SOH的估计误差≤±3%,单体电池之间的温差≤2℃,满足安全性等国标要求,并符合功能安全及行业各项标准要求,成本≤1.2元/Wh,年生产能力≥1万套,产品至少为3家整车企业配套(其中至少包括1个乘用车车型),装车应用不低于3000套;建立电池系统设计、制造与测试的技术规范。

点评:这个要求还是比较高的,目前只有特斯拉的电池系统达到这一要求,电池包的整体设计,热量管理,bms管理系统这都关系到电池的寿命安全和整车的安全性,没有良好的bms管理系统热管理系统就不能保证电池电力的输出。

(3)高比功率长寿命动力电池技术(重大共性关键技术类)

研究内容:开发高功率电极材料、高电导电解液、高离子传导性隔膜;发展基于模型的高功率电池的设计技术;开发高功率电极的制备工艺、新型电池装配工艺及自动化工装设备;研究电池功率特性、环境适应性和寿命的改善技术,以及提升电池均一性、可靠性的工程化控制技术,开发高功率长寿命锂离子动力电池产品,以及新型的超级电容器产品,实现装车应用。

通过研究要达到:快速充电电池的能量密度≥120Wh/kg,恒流充电容量达到额定容量的80%以上(常温,6C倍率下),循环寿命≥10000次;插电式混合动力汽车用电池、超级电容器的能量密度分别达到200Wh/kg和50Wh/kg,充电功率密度分别达到1500W/kg和5000W/kg(常温和50%SOC下),循环寿命分别大于5000次和10万次;高功率电池的年生产能力≥2亿瓦时,装车数量≥1000套;超级电容器的年生产能力≥1000万瓦时,装车数量≥200套。

点评:高功率电池就需要高功率电极材料和高性能的电解液,目前高功率电极材料研发是个难题,新型的超级电容器的研发取得一定进展,超级电容客车已经出口。

2.电机驱动与电力电子总成

(1)宽禁带半导体电机控制器开发和产业化(重大共性关键技术类)

研究内容:研究车用高温大电流SiC芯片技术、低感/高密度/耐高温SiC模块封装技术、高温高频驱动技术、高密度无源器件应用技术及SiC电机控制器集成技术,开发电机控制器用大电流SiC芯片、高效/高密度SiC模块和电机控制器。

通过研究要达到:宽禁带电力电子模块电流≥400A,电压≥750V;电机控制器峰值功率密度≥30kW/L,匹配电机额定功率40-80kW,最高效率≥98.5%;产品装车应用不低于1000套。

点评:我国驱动电机量产的电控产品价格普遍比国外高。其中,我国电动汽车用电控系统的价格比国外高1.2-1.8倍。新能源汽车专用芯片,大功率半导体器件,关键元器件都是进口,单是元器件成本就比海外高出2-3倍,电子驱动技术集成这都是急需解决的核心问题。

(2)高效轻量高性价比电机技术及产业化(重大共性关键技术类)

研究内容:研究高速、高效、轻量化电机的设计与工艺技术、液冷与密封技术、高压安全及防护技术;研究转矩脉动、噪声振动、电磁兼容、可靠性与耐久性等性能优化技术。面向集中驱动的新能源乘用车和商用车动力系统应用需求,开发高性价比的关键零部件和电机产品。

通过研究要达到:乘用车电机峰值功率密度≥4kW/kg(≥30秒),连续功率密度≥2.5kW/kg,电机最高效率≥96%,装车应用不低于25000台;商用车电机峰值转矩密度≥20Nm/kg(≥60秒),连续转矩密度≥11Nm/kg,电机最高效率≥96%,装车应用不低于5000台。

点评:对所采用的电机有较高的要求。为了提升最高时速,电机应有较高的瞬时功率和功率密度(W/kg);为了增加1次充电行驶距离,电机应有较高的效率;而且电动汽车是变速工作的,所以电机应有较高的高低速综合效率;此外有很强的过载能力、大的启动转矩、转矩响应要快。目前我国电机制造工艺和技术和国外相比还有差距。另一方面,国内新能源汽车永磁电机的原材料(包括永磁体和硅钢片等)利用率比国外低10%左右,在生产过程中造成了一部分材料的浪费,从而增加了生产成本。同时,用于生产耐电晕电磁线和绝缘材料的原材料基本依赖进口,我国电动汽车所用的驱动电机大部分源自国产,国际品牌尚未真正参与中国的市场竞争。那么,一旦国际电机品牌进入中国市场,中国电机企业是否还有生存空间?

3.电动汽车智能化技术

(1)智能电动汽车电子电气架构研发(基础前沿类)

研究内容:构建满足智能电动汽车需求的高带宽、高实时性、高安全性、高可靠性电子电气架构;研究高效车载总线在新型分布式通信与控制系统应用中的关键技术及基础通信协议标准;探索面向智能电动汽车的高效可靠的信息安全体系;研发智能电动汽车异构开放结构的嵌入式软件平台;研究智能电动汽车整车EMI噪声建模、预测和抑制方法。

通过研究要达到:智能电动汽车新型电子电气架构;智能电动汽车信息安全体系和基础通信协议标准;智能电动汽车嵌入式软件架构、操作系统及标准化接口;整车电磁兼容研究理论体系和设计方法。智能化系统主干网络通信速率达100Mbit/s,动力系统网络数据传输效率≥80%;智能电动样车的电磁兼容测试GB14023-2011通过率≥80%、GB18387-2013通过率≥70%;研究成果应用在2家以上企业;形成相关国家标准草案。

点评:目前交通面临三大问题,安全、拥堵和污染,电动汽车的智能就是解决这三大问题,智能化汽车的技术定义是,具备汽车联网、自动驾驶和车内、车外通讯等要素,融合了传感器、雷达、GPS定位和人工智能等技术,使得汽车智能环境感受能力,自动分析汽车行驶的安全及危险状态,最终实现替代人。

(2)电动自动驾驶汽车技术(重大共性关键技术类)

研究内容:研究复杂行驶环境下自主式和协同式动静态目标检测与跟踪技术;研究系统高精度定位技术及车辆行驶状态及其关键参数识别技术;研究车辆驾驶行为和目标运动行为的预测技术及建模方法,多维、变尺度局部场景生成技术;研究电动自动驾驶汽车的自主决策与轨迹规划技术;研究整车纵横向动力学的解耦控制技术及多目标的鲁棒控制技术;研究电动自动驾驶汽车系统集成与测试评价技术。

通过研究要达到:标准测试环境下,基于高性能多源传感器,实现相对位置误差为厘米级,速度、车身倾角等关键状态信息估计误差≤±3%,电动汽车智能驾驶技术达到SAE3级标准。在实际结构化道路条件下,基于高性价比多源传感器,实现相对位置误差≤5厘米,速度、车身倾角等关键状态信息估计误差≤±5%,电动汽车智能驾驶技术达到SAE3级标准,整车传感、控制及执行系统须满足汽车级要求。制定电动自动驾驶汽车环境信息系统接口的技术规范,实现百辆级电动自动驾驶汽车示范运行。

点评:自动驾驶技术与电动汽车的融合呈现新技术,无人驾驶技术未来会成为世界智能交通的主流方向,将带动基础设施、交通网络、交通辅助设施的革命性变化,将改变汽车价值链和商业模式,产生一些新的业态。无人驾驶对于整个汽车行业是革命性的变化,汽车将不再是一个代步工具而是一个移动的智能终端。

4.燃料电池动力系统

(1)高比功率燃料电池发动机研发(重大共性关键技术类)

研究内容:高功率密度、低成本燃料电池电堆关键技术研发与应用开发;空压机、氢气循环泵、70MPa氢瓶等核心零部件技术研发;开展高功率密度、低成本、模块化燃料电池发动机的设计、集成,以及控制系统和关键工艺技术的开发;研究发动机及其关键零部件的检测与评价技术。

通过研究要达到:燃料电池发动机空压机空气升压比≥2.5,效率≥70%;氢气循环泵满足阳极回流比≥2.0;燃料电池电堆体积比功率≥3.1kW/L,燃料电池发动机系统体积比功率≥600W/L,最高效率≥55%,铂用量≤0.25g/kW,寿命≥5000h,实现-30℃储存与启动,并应用于燃料电池轿车的开发。

(2)长寿命燃料电池发动机研发(重大共性关键技术类)

研究内容:开展燃料电池发动机的总体布置和模块化结构集成设计技术的研发、长寿命燃料电池电堆技术研发;燃料电池辅助系统(包括空气系统、氢气系统和热管理系统等)和燃料电池发动机控制系统技术研发;开展发动机系统集成与关键工艺技术的开发;研究核心部件及整机的测试与评价技术。

通过研究要达到:燃料电池发动机耐久性≥10000h,重量比功率密度≥300W/kg,最高效率≥60%,铂用量≤0.5g/kW;实现-25℃储存与启动;燃料电池发动机噪音小于83分贝;控制系统满足汽车级电磁兼容标准;并应用于燃料电池商用车的开发。

点评:氢燃料电池技术,真正实现零排放的燃料电池汽车,一直被公认为是解决当今交通能源和环境问题的最佳方案之一,代表着汽车未来的发展方向。

 
作为真正意义上“零排放”的清洁能源,氢燃料电池在发达国家的应用正在提速。日本将于2015年前建成100座加氢站,目前已建成13座;欧盟在近期通过了增加燃料电池巴士项目;现代汽车ix35燃料电池车批产型号已于今年3月下线,并计划2015年起大批量生产。这表明燃料电池已从实验室真正走向产业化,与锂电池相比,它更具有零污染优势。

5.纯电动力系统

(1)分布式纯电动轿车底盘开发(重大共性关键技术类)

研究内容:研究分布式驱动电动化底盘构型,以及底盘线控驱动、线控转向、线控制动等线控操纵技术;研发分布式电驱动总成、高安全和高能量回收效率的制动系统等关键部件;开发出分布式纯电动轿车底盘及整车。

通过研究要达到:分布式纯电动轿车的整车电耗≤10kWh/100km

(工况法),最大爬坡度≥30%,纯电续驶里程≥300km(工况法),0-100km/h加速时间≤6s,最高车速≥140km/h;电制动降低电能消耗率≥25%(ECE城区工况);整车具备安全稳定的转向功能,并实现小批量试验运行。

(2)高性能低能耗纯电动轿车底盘及整车开发(重大共性关键技术类)

研究内容:开展整车经济性、动力性与操纵稳定性优化设计及关键技术的开发,研究电池组安全防护及整车主被动安全技术;开发一体化纯电动力传动系统、电动转向与回馈制动系统,高能效比电动冷暖一体化空调系统等关键部件;研发智能化整车控制系统、全新电动化底盘及整车集成技术。

通过研究要达到:纯电动轿车(车长≥4.5m)的整车电耗≤10kWh/100km(工况法),纯电续驶里程≥400km(工况法);车身与底盘结构轻量化达10%以上(同比钢结构车型);0-100km/h加速时间≤6s,最高车速≥160km/h;电制动降低电能消耗25%以上(ECE城区工况)。

点评:电动汽车专用底盘,车身轻量化能量回馈制动系统,关键零部件这都是我们的薄弱点,这关系到未来展国际竞争中我们的地位。

(3)纯电动大客车动力平台技术(重大共性关键技术类)

研究内容:研究纯电动商用车智能控制技术、高效驱动技术、高压集成控制技术、节能电动冷暖一体化空调等高效辅助系统技术;开发模块化、系列化的纯电动商用车底盘及车型;开展整车安全性、可靠性、耐久性和环境适应性的提升技术研究,以及轻量化新结构、新材料的应用技术研究;开发整车的批量化生产工艺,形成规模化生产能力。

通过研究要达到:12米纯电动客车:0-50km/h加速时间≤15s,30分钟最高车速≥100km/h,最大爬坡度≥25%,整备质量≤11000kg,电耗≤0.55kWh/km(工况法);全气候(环境温度范围覆盖-20℃到40℃)续驶里程≥250km(工况法);电制动降低电能消耗25%以上(工况法);行驶60km的快速充电时间≤10min;形成年生产能力≥5000台,实现百辆级示范应用。

四、综述

我国是电动车应用大国,但不是技术强国,产业链企业众多多而不强,锂电池的研发制造技术和国外比还有不小的差距,电机电控技术还有待提高,关键元器件需要进口,车身轻量化,智能化差距较大,单靠企业自身很难突破这些关键技术,这些关键技术关系到我国新能源汽车发展前途,因此国家成立锂电池技术研究中心,搞技术专项,以全国之力集中全行业的技术力量,通过几年的研究突破这些技术难题,为我国新能源汽车发展扫清障碍,新能源汽车是国家战略新型产业,它关系到我国汽车工业能否顺利转型,并在国际市场占据一定位置,改变当前汽车工业被动局面,带动几十个新型行业发展,因此具有十分重要的意义。

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