袁博

（河南省社會科學(xué)院工業(yè)經(jīng)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(jīng)濟、社會等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，各國都在積極應(yīng)對，國際學(xué)術(shù)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(jié)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(nèi)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(nèi)學(xué)者也對此開始進行深入細致的研究：鄧明君（2013）通過應(yīng)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(chǔ)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(guān)重要而又各有側(cè)重的作用，需要科學(xué)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(shù)創(chuàng)新和市場化推廣應(yīng)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(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢與方向；楊解君（2021）認為為達到2060年前實現(xiàn)碳中和的目標，需要確立一些基本實現(xiàn)促進低碳技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用的技術(shù)路徑，建立和完善碳市場的市場化路徑，強化政府引導(dǎo)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(zhuǎn)型背景基礎(chǔ)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(shù)發(fā)展

交通運輸產(chǎn)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(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示2020年全球約60%的石油消耗在交通領(lǐng)域，其中汽車作為主要的陸地交通工具，數(shù)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(jīng)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(jīng)濟快速發(fā)展期，人均收入快速提升，對物質(zhì)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(zhì)量的重要商品，對于相關(guān)產(chǎn)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(yù)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(xiàn)汽車尾氣零排放，對大氣環(huán)境真正實現(xiàn)零污染，于是新能源汽車應(yīng)運而生。

圖1 全球碳排放總量來源構(gòu)成[11]

新能源汽車不僅是汽車產(chǎn)業(yè)的未來，同樣也是實現(xiàn)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(chǎn)生任何有害尾氣，可以完全實現(xiàn)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(yù)見的未來會完全替代燃油車，徹底實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的碳中和。近年來新能源汽車技術(shù)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(qū)動電機）技術(shù)還是相關(guān)輔助技術(shù)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(chǎn)生爆炸，造成遠高于燃油車的人身和財產(chǎn)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(lǐng)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(shù)，并順利通過針刺熱擴散試驗，實現(xiàn)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(xiàn)電芯化學(xué)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(chǎn)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(shù)

除了動力電池技術(shù)之外，作為新能源汽車重要的保障技術(shù)，充換電技術(shù)一直在持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)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(shù)，可以實現(xiàn)普通家用純電動汽車在15 min內(nèi)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(xiàn)30 min內(nèi)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(shù)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(xiàn)5 min以內(nèi)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(shù)在新能源汽車產(chǎn)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(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(jīng)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(shù)未來的發(fā)展趨勢。

2.2.2 DMI超級混動技術(shù)

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(shù)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(shù)，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(qū)動，發(fā)動機的主要任務(wù)是在高效轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)電，并在合適的時機直接驅(qū)動車輛，使其輕松實現(xiàn)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(shù)一經(jīng)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(yīng)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(shù)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(shù)突破重新開始繁榮。

2.3 驅(qū)動電機

2.3.1 電機性能驅(qū)動電機直接驅(qū)動車輛行駛，是新能源汽車的核心組成部分，驅(qū)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(qū)動電機在后程高速階段中轉(zhuǎn)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(qū)動電機技術(shù)在功率、布置、系統(tǒng)方面持續(xù)革新：早期的單臺驅(qū)動電機輸出功率普遍不足80 kW，隨著生產(chǎn)工藝和技術(shù)水平的日漸成熟，驅(qū)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(qū)動電機的最高功率紀錄；由于驅(qū)動電機體積小、無需變速箱，可以在車身內(nèi)布置多個驅(qū)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(chǎn)品線，部分車型甚至布置3個驅(qū)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(qū)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(jīng)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(qū)動電機今后的技術(shù)會更加多元化提升。

面向5G的承載網(wǎng)需求及關(guān)鍵技術(shù) ……………………………………………………師嚴，王光全，王海軍 24-1-17

2.3.2 扁線電機

驅(qū)動電機主要由定子組件、轉(zhuǎn)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(nèi)，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(chǎn)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(dǎo)性能更好，溫升更低，有數(shù)據(jù)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?？傮w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(qū)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(chǎn)在其電動汽車產(chǎn)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(yīng)用，之后上汽、長城、保時捷、東風(fēng)、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(qū)動電機主流。

2.3.3 集成式電機總成

傳統(tǒng)的驅(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)的缺點同樣十分明顯，特別是驅(qū)動電機和電控系統(tǒng)的分離會占據(jù)車內(nèi)更多空間，動力電池相對只能減少布置，同時增加質(zhì)量，無法進一步增加的電池容量加之更大的車輛質(zhì)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(guān)企業(yè)開始研發(fā)整合驅(qū)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(nèi)空間又減輕車輛質(zhì)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(jīng)推出相關(guān)產(chǎn)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(qū)動電機、減速器、驅(qū)動電機控制器、高壓配電箱（Power Distribution Unit）、高低壓直流轉(zhuǎn)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(xiàn)更快的加速和更長的續(xù)駛里程，隨著集成式電機技術(shù)的逐步成熟，采用這一結(jié)構(gòu)的車型會日漸增多。

2.4 輔助技術(shù)

除了核心技術(shù)之外，新能源汽車輔助技術(shù)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(wù)之急，在動力電池技術(shù)暫時無法取得重大突破的困境下，輕量化車身、低風(fēng)阻系數(shù)、隱藏式外飾、熱泵式空調(diào)這些有助于提高續(xù)駛里程的輔助技術(shù)開始廣泛應(yīng)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(lǐng)域迎刃而解，驅(qū)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(xiàn)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(xiàn)象，而智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)在新能源汽車先天的結(jié)構(gòu)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(shù)的日新月異不僅使新能源汽車產(chǎn)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(jié)束語

新能源汽車技術(shù)發(fā)展決定著其產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展走向，碳中和目標使新能源汽車技術(shù)發(fā)展進入到一個新的階段，呈現(xiàn)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(shù)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(guān)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(xiàn)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(yīng)用使新能源汽車核心零部件生產(chǎn)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(chǎn)過程和最終產(chǎn)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(jié)構(gòu)簡單、電子設(shè)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(wǎng)聯(lián)等智能化技術(shù)開始廣泛在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用，新能源汽車的智能化水準快速提升，目前可以實現(xiàn)遠程聯(lián)網(wǎng)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(shù)，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(wù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展不僅整體水平一般，其內(nèi)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(shù)標準，導(dǎo)致技術(shù)參數(shù)各不相同，特別是充換電環(huán)節(jié)，甚至出現(xiàn)接口不統(tǒng)一而無法進行充電的情況。近年來相關(guān)部門開始制定統(tǒng)一標準，相關(guān)企業(yè)開始積極響應(yīng)，生產(chǎn)統(tǒng)一接口和技術(shù)參數(shù)的產(chǎn)品，目前已經(jīng)實現(xiàn)充電標準統(tǒng)一，換電由于技術(shù)難度高、參與企業(yè)少，統(tǒng)一標準還尚需時日，目前相關(guān)部門已經(jīng)出臺標準，在可預(yù)見的未來將實現(xiàn)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(shù)將向更加低碳節(jié)能的方向發(fā)展，今后將會有更多相關(guān)的新技術(shù)涌現(xiàn)。