碳中和目标下新能源汽车技术发展趋势*

袁博

（河南省社会科学院工业经济研究所，郑州 450000）

主题词：碳中和 能量密度 碳化硅 扁线电机

1 前言

碳中和目标将对全球政治、经济、社会等领域产生重大影响，各国都在积极应对，国际学术界对此展开研究：KR.Richards（2004）通过10余年的研究详细分析了减少碳排放量的森林碳汇；Hepburn C（2007）系统回顾和总结了《京都议定书》的碳排放交易机制；D Tilman R（2009）分析了全球在粮食、能源和环境方面的三重困境，认为碳中和是最有效的解决途径；Lovell Heather C（2010）深入研究了碳补偿机制的内在机理；Sovacool Benjamin（2011）从4个方面批判性地提出了全球碳交易市场存在的问题。

近年来国内学者也对此开始进行深入细致的研究：邓明君（2013）通过应用信息可视化软件CiteSpaceⅡ生成碳中和理论研究的知识图谱，深入分析了国际碳中和理论研究的知识基础和前沿演进轨迹；王灿（2020）认为政府、企业、个人在迈向碳中和愿景进程中具有至关重要而又各有侧重的作用，需要科学的政策体系以形成系统有效的激励机制，促进资本和人才朝着碳中和技术创新和市场化推广应用方向快速汇集；邹才能（2021）认为清洁、无碳、智能、高效为核心的“新能源”+“智能源”体系是世界能源转型的发展趋势与方向；杨解君（2021）认为为达到2060年前实现碳中和的目标，需要确立一些基本实现促进低碳技术创新与应用的技术路径，建立和完善碳市场的市场化路径，强化政府引导与规制的行政化路径等；王震（2021）在分析油气企业的战略转型背景基础上，从5个方面对其碳中和愿景下的战略选择进行了重点探讨[10]。

2 碳中和目标促进新能源汽车技术发展

交通运输产生的碳排放量占全球碳排放总量的26%（图1），是碳排放的第2大来源，包括海洋、陆地和空中的交通运输。交通运输业的能源消耗较大，据相关数据显示2020年全球约60%的石油消耗在交通领域，其中汽车作为主要的陆地交通工具，数量占陆地交通运输乃至交通运输整体的比例都是最大的，目前全球汽车保有量突破10亿辆，其中95%以上的汽车为燃油车，使用汽柴油为燃料，消耗的石油量占全球石油消耗总量的1/3左右。二氧化碳是燃油车尾气的主要组成部分，全球每年都有大量的二氧化碳随汽车尾气排出，汽车尾气已经成为碳排放的主要来源之一，特别是中国和印度等人口众多的发展中国家正处于经济快速发展期，人均收入快速提升，对物质文化的需求日益增长，汽车作为便捷的交通工具，自然成为改善生活质量的重要商品，对于相关产品的购买意愿持续升高，汽车销量持续增长，其中中国已连续多年成为全球最大的汽车销售市场，2020年和2021年的汽车销量在全球汽车销量中的占比均超过30%。随着汽车保有量的日渐增大，燃油车尾气排放量预计持续增加，大气污染问题日益严重，此时急需新的能源替代汽柴油，实现汽车尾气零排放，对大气环境真正实现零污染，于是新能源汽车应运而生。

图1 全球碳排放总量来源构成[11]

新能源汽车不仅是汽车产业的未来，同样也是实现碳中和的重要途径，目前大部分新能源汽车使用电能作为动力源，少部分使用氢燃料、太阳能等清洁能源，相对于传统汽车使用的汽油或天然气，新能源汽车在使用过程中完全不消耗任何化石能源、不产生任何有害尾气，可以完全实现二氧化碳的零排放，新能源汽车销量占汽车总销量的比例逐年提升，在可预见的未来会完全替代燃油车，彻底实现汽车产业的碳中和。近年来新能源汽车技术开始向更加低碳节能的方向发展，无论是核心的三电（动力电池、电控系统、驱动电机）技术还是相关辅助技术的革新都在以达到减少二氧化碳排放量为主要目标。

2.1 动力电池

2.1.1 能量密度

图2 动力电池能量密度发展[17]

2.1.2 安全性

新能源汽车自燃率虽然低于燃油车，但动力电池一旦起火，极易产生爆炸，造成远高于燃油车的人身和财产损失，近年来动力电池企业除了提升电池性能之外，还积极在电池安全领域创新：2020年3月比亚迪率先发布主打新能源车辆安全的刀片电池，可以轻松完成针刺试验，首先搭载于旗下的汉车型，比亚迪汉上市以来销量节节攀升，至今没有发生过一起电池起火事故；2021年3月广汽埃安发布弹匣电池系统安全技术，并顺利通过针刺热扩散试验，实现电池包针刺不起火，旗下车型至今没有发生过重大安全事故；2021年9月长城汽车发布大禹电池，可实现电芯化学体系全覆盖，任意位置的单个或多个电芯触发热失控的情况下保证电池包不起火、不爆炸，率先搭载在旗下沙龙汽车产品。未来动力电池安全性将会显著提升，为使用者提高更加安全的驾乘环境。

2.1.3 充换电技术

除了动力电池技术之外，作为新能源汽车重要的保障技术，充换电技术一直在持续发展，已经得到巨大提升，其中保时捷在2018年9月推出最高功率可达350 kW的超级充电技术，可以实现普通家用纯电动汽车在15 min内充至80%电量，特斯拉、蔚来、小鹏的超级充电桩可以达到180～250 kW的充电功率，实现30 min内充至80%电量，但即使是最快的保时捷超级充电速度目前仍然不及燃油车加油，并且由于涓流充电造成最后阶段的充电速度明显放缓，实际的充电时间可能更长，纯电动汽车的充电效率与燃油车加油相比差距仍然明显。近年来兴起的换电池（简称换电）技术成为新能源汽车能源补给的新方式，蔚来汽车和北汽新能源的换电站可以实现5 min以内完成纯电动汽车的电池更换，几乎追平燃油车的加油时间，是目前解决里程焦虑的最有效方法。

2.2 电控系统

2.2.1 碳化硅（SiC）功率模块

电控系统是新能源汽车的控制中枢，其重要性不言而喻，电控技术在新能源汽车产业初期发展缓慢，近年来突飞猛进、快速发展，特别是新材料在这一领域的应用尤为突出，以往的新能源汽车普遍采用IGBT功率模块，近年来新兴的碳化硅开始应用于纯电动车型，特斯拉、英飞凌、比亚迪、三菱、日立、中车时代等全球各大IGBT生产商都在积极研发新能源汽车的碳化硅功率模块，2018年特斯拉Model 3纯电动轿车开始陆续换装碳化硅功率模块，成为全球首款搭载碳化硅功率模块的新能源车型，此外比亚迪、蔚来等整车企业已经开始陆续使用碳化硅功率模块，显著提升电控系统的整体效率和使用寿命，进一步降低能耗，是电控技术未来的发展趋势。

2.2.2 DMI超级混动技术

混合动力汽车作为纯电动汽车替代燃油车的过渡车型，近年来同样在电控技术方面取得重大突破，以往混合动力汽车虽然可以有效解决长途出行的里程焦虑问题，但馈电情况下甚至高于同级燃油车的能耗成为一大诟病，加之普遍高于同级燃油车的售价，使其处境尴尬，销量长期停滞不前。2021年1月比亚迪发布DMI（Dual Mode Intelligent）超级混动技术，史无前例地取消了燃油动力总成中的变速箱，取而代之的是单速行星齿轮，使用自研的骁云发动机，其热效率高达43%。DMI系统主要依靠大功率高效电机进行驱动，发动机的主要任务是在高效转速区间发电，并在合适的时机直接驱动车辆，使其轻松实现馈电情况下的超低油耗，比亚迪DMI车型在馈电状态下的100 km油耗普遍低至4 L左右，彻底颠覆之前的高油耗，这一显著成效不仅依靠高效发动机，电控系统在其中同样发挥了重要作用。这一革命性技术一经发布，立即引发业界震动，DMI车型上市后订单积压、供不应求，立即成为市场热销车型，促进混合动力汽车的整体销量。此外理想ONE、岚图FREE、金康赛力斯等增程式车型层出不穷，增程式电动汽车的电控技术同样更新换代，持续热销，混合动力汽车市场由于革命性的技术突破重新开始繁荣。

2.3 驱动电机

2.3.1 电机性能驱动电机直接驱动车辆行驶，是新能源汽车的核心组成部分，驱动电机由于在起步阶段就可以释放出最大扭矩，使新能源汽车加速性能远超同档次的燃油车，但驱动电机在后程高速阶段中转矩快速衰减，单一齿比也使其极速普遍不如同档次燃油车。近年来驱动电机技术在功率、布置、系统方面持续革新：早期的单台驱动电机输出功率普遍不足80 kW，随着生产工艺和技术水平的日渐成熟，驱动电机输出功率逐步提升，到2018年时普遍在120 kW左右，2019年上市的保时捷Taycan纯电动轿跑的后电机功率最高达350 kW，刷新当时驱动电机的最高功率纪录；由于驱动电机体积小、无需变速箱，可以在车身内布置多个驱动电机，目前大部分在售新能源车型普遍采用单/双电机配置差异化销售，丰富不同价位的产品线，部分车型甚至布置3个驱动电机，进一步提升性能；永磁同步电机和交流异步电机各有自身的优缺点，近年来整车企业开始将这两种驱动电机组合使用，以达到优化综合性能的目的，特斯拉、蔚来等企业已经推出永磁同步电机和交流异步电机混合搭载的车型，综合性能较之前车型有明显提升，驱动电机今后的技术会更加多元化提升。

面向5G的承载网需求及关键技术 ……………………………………………………师严，王光全，王海军 24-1-17

2.3.2 扁线电机

驱动电机主要由定子组件、转子组件、端盖和辅助标准件组成，而定子绕组中又包括铁芯、铜线绕组、绝缘材料，定子绕组中采用扁铜线，先把绕组做成类似发卡一样的形状，穿进定子槽内，再在另外一端把发卡的端部焊接起来。扁线电机与圆线电机的区别在于铜线的成形方式，扁线有利于电机槽满率的提升，一般圆线电机的槽满率为40%左右，而扁线电机的槽满率能达到60%以上，槽满率的提升意味着在空间不变的前提下可以填充更多的铜线，产生更强的磁场强度，功率密度显著提升，扁线之间接触面积大，相比于圆线电机，扁线电机热导性能更好，温升更低，有数据显示扁线电机温升比圆线电机低10%左右，另外扁线电机还可以通过节省端部铜材的方式提升铜线利用率，从而达到降低成本的目的。总体来看，相比于圆线电机，扁线电机效率更高、体积更小、重量更轻、成本更低，是未来驱动电机的必然发展趋势。近年来汽车企业开始逐步使用扁线电机替代圆线电机，早在2007年雪佛兰Volt就开始使用Hair-Pin（发卡式扁线电机），2013年日产在其电动汽车产品上使用过扁线电机，2015年丰田第四代普锐斯开始装配扁线电机，随着普锐斯的销量攀升，扁线电机开始得到规模化应用，之后上汽、长城、保时捷、东风、宝马、大众、比亚迪、吉利等企业相继在旗下车型装配扁线电机，未来扁线电机将进一步取代圆线电机，成为新能源汽车驱动电机主流。

2.3.3 集成式电机总成

传统的驱动电机独立于动力电池和电控系统，动力电池将电能传输给电机驱动车辆，并由电控系统进行控制，各个部分分工协作，保证车辆整体的稳定运行，但分体独立式结构的缺点同样十分明显，特别是驱动电机和电控系统的分离会占据车内更多空间，动力电池相对只能减少布置，同时增加质量，无法进一步增加的电池容量加之更大的车辆质量会减弱其加速和续驶里程，近年来这一劣势愈发明显。针对这一问题，相关企业开始研发整合驱动电机和电控系统的多合一集成式电机总成，既节省车内空间又减轻车辆质量，最为重要的是使集成式电机总成进一步提高传动和控制效率，提升车辆整体性能。近年来精进电机（JJE）、方正电机（FDM）、华为（Huawei）等企业已经推出相关产品，比亚迪在e3.0平台推出全球首款八合一电机总成，集成驱动电机、减速器、驱动电机控制器、高压配电箱（Power Distribution Unit）、高低压直流转换器（Direct Current-Direct Current converter）、车载双向充电器、整车控制器（Vehicle Control Unit）以及电池管理系统（Battery Management System），将综合效率从86%提升至89%，使100 km电耗比同级车降低10%，实现更快的加速和更长的续驶里程，随着集成式电机技术的逐步成熟，采用这一结构的车型会日渐增多。

2.4 辅助技术

除了核心技术之外，新能源汽车辅助技术同样突飞猛进，由于里程焦虑问题一直存在，加之新能源汽车补贴逐步退坡，提高续航里程成为新能源汽车企业的当务之急，在动力电池技术暂时无法取得重大突破的困境下，轻量化车身、低风阻系数、隐藏式外饰、热泵式空调这些有助于提高续驶里程的辅助技术开始广泛应用于新能源汽车，对续驶里程有不同程度的提升，燃油车之前一直无法有效解决的NVH问题在新能源汽车领域迎刃而解，驱动电机的先天静谧性和平顺性使噪音和振动显著降低，甚至出现高端豪华燃油车的NVH不如价格远低于自己的低端平民纯电动汽车的奇特现象，而智能网联技术在新能源汽车先天的结构优势下大放异彩，几乎成为新能源汽车的标准配置。辅助技术的日新月异不仅使新能源汽车产品核心实力增强，同时舒适性和功能性大幅度提升，新能源汽车的综合竞争力进一步提高。

3 结束语

新能源汽车技术发展决定着其产业的整体发展走向，碳中和目标使新能源汽车技术发展进入到一个新的阶段，呈现出以下3方面的趋势。

3.1 低碳节能趋势明显

新能源汽车技术发展初期主要以提高电机功率和续驶里程为主，但由于电池能量密度提升缓慢，制造成本居高不下，出众的加速能力又无法在城市出行场景中完全发挥出来，使新能源汽车在综合性能方面优势不明显，而价格又明显高出同级别燃油车，使其处境尴尬，早期销量提升缓慢。近年来相关企业在进一步提升能量密度和电机功率的同时研发出更加先进的电控系统和集成式电机以降低能耗，实现续驶里程的提升，此外碳化硅、扁铜线等环保高效的新材料的应用使新能源汽车核心零部件生产过程中的碳排放量显著降低，碳中和目标促使新能源汽车企业在生产过程和最终产品这两方面都在向低碳节能的方向发展。

3.2 智能化趋势明显

新能源汽车由于结构简单、电子设备较多，十分适合智能化和自动化，近年来人工智能、自动驾驶、远程网联等智能化技术开始广泛在新能源汽车领域应用，新能源汽车的智能化水准快速提升，目前可以实现远程联网操控车辆、即时OTA系统升级、L3级别自动驾驶等智能化技术，新能源汽车已不再是简单的交通工具，而是可以与驾乘者沟通并为其提供舒适便捷服务的可移动空间。

3.3 行业标准化趋势明显

早期的新能源汽车产业发展不仅整体水平一般，其内部发展水平同样参差不齐、差距巨大，企业间各自制定适合自身发展阶段的技术标准，导致技术参数各不相同，特别是充换电环节，甚至出现接口不统一而无法进行充电的情况。近年来相关部门开始制定统一标准，相关企业开始积极响应，生产统一接口和技术参数的产品，目前已经实现充电标准统一，换电由于技术难度高、参与企业少，统一标准还尚需时日，目前相关部门已经出台标准，在可预见的未来将实现换电标准的完全统一。

随着碳中和目标成为全球环境保护的重要发展方向，新能源汽车技术将向更加低碳节能的方向发展，今后将会有更多相关的新技术涌现。