第1章　新能源汽车基础

1.1　新能源汽车的发展

1.1.1　新能源汽车的发展历史

19世纪末到20世纪初，从美国人托马斯制造出第一辆用直流电机驱动的电动车开始，到1899年5月世界首辆车速超过100km/h的电动汽车“Jamais Contente（永不满足号）”的出现，电动汽车进入商业化阶段。英国、法国和美国先后涌现了一批著名的电动汽车制造公司，如最早的电动汽车制造厂Morris和Salom。1830年～1900年，匈牙利、美国、荷兰、英国、法国、奥地利和德国，都有人曾制造出电动汽车。到1912年，美国约有34000辆注册的电动汽车，几乎涵盖了各种车型。这一时期也成为早期电动汽车发展的黄金时期。

从1886年内燃机开始出现，到内燃机大规模进入汽车市场，让电动汽车的发展遭受了一个巨大的挑战。而Ford公司大规模生产工艺的进步，使汽车价格降低，更加速了电动汽车的消失。因此从20世纪30～60年代，电动汽车步入冬眠期。

20世纪70年代初蔓延全球的中东石油危机爆发，让内燃机市场受到冲击，从而使电动汽车重新进入各大厂家视线，欧洲、亚洲的各个国家投入大量的人力物力再次重新致力于电动汽车的开发和研究，美国三大汽车制造商通用、福特和克莱斯勒都开发了相应的电动汽车，1991年12月宝马公司在法兰克福车展上推出了E1J电动汽车，电动汽车的春天又一次到来。

从20世纪90年代开始，在能源和环境的双重压力下，电动汽车的研究开发再次进入一个活跃期。这一时段世界各大汽车制造商纷纷推出各自的电动汽车。在美国，通用、福特、特斯拉等汽车公司，在电动汽车的发展中起着非常重要的作用。在日本，几乎所有的汽车生产商，如丰田、日产、马自达、三菱、铃木、大发、五十菱等汽车公司都制定了各自的商业化电动汽车发展规划。欧洲的许多国家，尤其是法国、德国、意大利和英国都纷纷进入电动汽车市场，其中活跃的汽车公司有雪铁龙、雷诺、宝马、奔驰、奥迪、大众、菲亚特等。

日产公司于1947年发布了其研发的第一款电动汽车。在此之后，相继发布了多款电动汽车，而聆风（LEAF）（图1-1-1）作为日产公司推行的电动汽车专项产品计划，于2012年12月在美国和日本同步上市。该车在锂离子动力电池的支持下，一次充电可行驶160km。

除了日本的汽车制造商在研发和销售电动汽车外，美国各大汽车制造商也纷纷推出了各自的电动汽车。美国通用汽车公司从1916年就开始了电动汽车的研发，并在2012年发布了雪佛兰Spak EV纯电动汽车。福特汽车公司也于20世纪60年代发布了第一辆电动汽车Comuta，其后，于20世纪60年代后期开始，相继研发了Cortina商用电动汽车及Fiesta、Escort和ETX型电动汽车等多款电动汽车。

特斯拉（Tesla）汽车公司2003年成立于美国加利福尼亚州，是以设计、生产和销售纯电动汽车为主的公司，于2008年推出第一款纯电动豪华跑车Roadster，2012年又推出了Model S型（图1-1-2）纯电动汽车。

在欧洲，意大利菲亚特汽车公司也是较早从事电动汽车研发的企业，在1974年研发了第一辆试验性电动汽车X1/23，1990年又推出城市用实用型电动汽车Panda Elettra。20世纪90年代，菲亚特汽车公司又陆续推出了Cinquecento Elettra电动客车、Ducato Elettra电动货车、两座电动汽车Zic和四座电动汽车Seicento Elettra等。

德国宝马汽车公司在1989年推出了它的新一代电动汽车E30E，1991年研制出改进的电动汽车E36E，同年正式推出了专门设计的两门四座电动汽车E1，1992年又推出四门四座电动汽车E2。2013年底，BMW i3纯电动汽车正式售卖；量产版的BMW i3输出转矩达250N·m，0～100km/h加速时间少于8s，最高车速为150km/h，由一组高性能可充电的220kW·h锂离子动力电池组提供电能。

法国雪铁龙汽车公司在20世纪90年代也开始发展电动汽车，以适应环保和节能要求。在1990年，其投放市场的是Peugeot106和Citroen ax电动轿车，随后又推出了Peugeot lon和Citroen Citela等。

国内各大汽车生产厂家也纷纷踏进电动汽车领域。目前，比亚迪新能源策略为双驱战略，即公共交通和个人交通全面发力。公共交通领域推广比亚迪自主研发的电动大巴K9，个人市场领域推广插电式混合动力车。其中，比亚迪K9大巴已经在国内主要城市宝鸡、长沙、西安以及英国、荷兰、哥伦比亚等国家进行了市场化运营。2015年比亚迪还推出了四款新能源汽车，其中比亚迪唐（图1-1-3）在2015年1月20日上市，而之后比亚迪宋、元也陆续上市，其中宋和元还同步推出了燃油版。

深圳比亚迪戴姆勒新技术有限公司（腾势汽车）成立于2010年，公司专注于纯电动汽车的生产，其中汽车动力核心技术由比亚迪提供，车身技术由奔驰提供，合资公司的经营范围主要包括设计研究和开发乘用车。

上海汽车集团股份有限公司在战略上非常重视新能源汽车市场。2014年9月，其举行了“新能源汽车万里行”的推广活动。2015年上汽集团开拓了十几个新能源汽车市场，就北京市场而言，加大了纯电动汽车的推广。此外，2016年推出了新的插电式混合动力车型，2018年还推出了纯电动汽车，其中包括SUV车型。

北京新能源汽车股份有限公司（以下简称北汽新能源），是一家以环保乘用车为主要经营范围的新能源科技公司。成立于2009年，经过4年多的发展积累，北汽新能源已掌握了整车系统集成与匹配、整车控制系统、电驱动系统三大关键核心技术，旗下EC180、EU260、EX260、EV160、EH300、物流车等多款产品已投入市场或示范运营。目前，北汽新能源已与大洋电机、普莱德蓄电池、爱思开蓄电池等多家公司展开了战略合作，并与美国Atieva公司签订了股权认购协议，成为后者的第一大股东。

1.1.2　新能源汽车的发展现状

目前在车用动力源方面，主要有四种技术路线：锂离子电池、氢燃料电池、超级电容器和铝空气电池。其中锂离子电池、氢燃料电池和超级电容器得到了广泛的应用，而铝空气电池尚处于实验室研究阶段。能源补给方面，锂离子电池、超级电容器适用于纯电动汽车，但是需要外部充电，而氢燃料电池则需要外部氢气加注，铝空气电池则需要补充铝板和电解液。就目前情况来看，锂离子电池在未来相当长的一段时间内仍会占据主要发展空间。

就锂离子电池而言，目前，三元锂电池和磷酸铁锂电池以及钛酸锂电池在电动车领域都有应用。由于三元锂电池能量密度高、续驶里程相对较长，国内车企乘用车纷纷转向使用三元锂电池，包括北汽（北京汽车集团有限公司）、比亚迪、江淮等。但三元锂电池却存在安全性差、耐高温性差、寿命短等缺点。

相比三元锂电池，磷酸铁锂电池由于安全性能稳定、高温性能好、重量轻等优势，越来越多地活跃在电动客车市场。但因其低温性能差、正极材料振实密度小等缺陷，在微型电池方面不具有优势。钛酸锂电池是锂离子电池中寿命最长、安全性最高的电池。论生命周期，普通锂离子电池为1000～2000次循环，钛酸锂电池则是3万次循环，是前者的15～30倍。但是这种材料的电池有一种天然的缺憾，能量密度偏低、容量小。日前正在研究通过钛酸锂电池和燃料电池的结合，以解决新能源汽车续驶里程短的难题。

当前，日本在锂离子电池领域居技术领先地位，已制订至2030年发展规划，系统地安排研发课题，以维持长期的领先地位，松下、NEC、索尼等著名公司都建有大规模锂离子电池生产线。韩国LG化学供应的锂离子电池已驱动超过30万辆电动汽车上路，三星SDI也已成为全球主要的动力电池供应商，提供电池给宝马、菲亚特、法拉利等。

美国政府曾通过经济刺激方案，将20亿美元专门用于支持美国车用锂离子电池产业的发展，特斯拉与松下联手在内华达州兴建投资20亿美元的超级锂离子电池工厂。美国制订了动力电池研发路线，包括由金属锂、硅合金等材料作为负极，高电压材料、空气硫作为正极的新体系结构动力电池，以及非锂体系动力电池等。

随着我国新能源汽车产业的快速发展，越来越多的国外动力电池企业在我国投资建厂。三星SDI、LG化学已分别在西安和南京合资建厂投产，松下大连工厂正在建设中，博世和SK也筹划在我国建设动力电池工厂。

我国的锂离子电池研究项目一直是“863计划”的重点项目，经过二十多年的持续支持，大部分材料实现了国产化，由追赶期开始向同步发展期过渡，本土总产能居世界第一，支撑了我国新能源汽车的示范推广。

目前，我国已形成了包括关键原材料（正极、负极、隔膜、电解液等）、动力电池、系统集成、示范应用、回收利用、生产装备、基础研发等在内的完善的锂离子动力电池产业链体系，掌握了动力电池的配方设计、结构设计和制造工艺技术，生产线逐步从半自动中试向全自动规模制造技术过渡。

在产业布局方面，我国形成了珠江三角洲、长江三角洲、中原地区和京津冀区域为主的四大动力电池产业化聚集区域。据统计，目前有近100家动力电池企业开展动力电池的研发及产业化工作，有近1000亿元产业资金投入，形成近40GW·h年产能，技术研发、产业化进展显著，有力地支撑了新能源汽车产业的快速发展。

预计至2020年进入技术提升阶段。新型锂离子电池实现产业化，能量型锂离子电池单体比能量达到350W·h/kg，能量功率兼顾型动力电池单体比能量达到200W·h/kg。动力电池实现智能化制造，产品性能、质量大幅度提升，成本显著降低，纯电动汽车的经济性与传统汽油车基本相当，插电式混合动力汽车步入普及应用阶段。

预计至2025年进入产业发展阶段。新型动力电池技术取得显著进展。动力电池产业发展与国际先进水平接轨，形成2～3家具有较强国际竞争力的大型动力电池公司，国际市场占有率达到30%。固态电池、锂硫电池、金属空气电池等新体系电池技术不断取得突破，比能量达到400W·h/kg以上。

预计至2030年进入产业成熟阶段。新体系电池实现实用化，电池单体比能量达到500W·h/kg以上，成本进一步下降；动力电池技术及产业发展处于国际领先水平。

未来相当一段时期内，我国节能与新能源汽车将以普及应用插电式混合动力汽车、纯电动汽车等新能源汽车为主要任务，迫切期待动力电池降低成本、提高性能。研发新型锂离子电池和新体系电池、提升动力电池智能制造水平、完善验证测试方法和标准体系，既是我国节能与新能源汽车的发展需求，也是我国动力电池发展的关键任务，具有紧迫性。

总之，新能源汽车竞争的核心是技术，最迫切的是实现动力电池技术的突破。在电动汽车关键零部件中，动力电池是技术门槛最高、也是利润最集中的部分。如果不能掌握动力电池的核心技术，我国新能源汽车注定将举步维艰。而电池技术的突破，将成为我国进入新能源汽车领域，抢占未来行业制高点的最佳切入点。