在國(guó)家宏觀戰(zhàn)略的大環(huán)境下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車技術(shù)[1]。2014年，中國(guó)政府在推動(dòng)新能源汽車發(fā)展的新舉措、新措施、新政策等方面有很多可圈可點(diǎn)之處，國(guó)家發(fā)布了《加快發(fā)展新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，放寬新能源汽車準(zhǔn)入，推出新能源汽車的補(bǔ)貼政策、推進(jìn)充電設(shè)施建設(shè)，落實(shí)各示范城市的政策到位等，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)正在迎來(lái)一個(gè)前所未有的發(fā)展機(jī)遇期[2]。

然而，在以純電動(dòng)汽車為主的新能源汽車市場(chǎng)化的進(jìn)程中，產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸在用戶的實(shí)際使用過(guò)程中凸顯，導(dǎo)致新能源汽車的用戶體驗(yàn)較差，難以成為汽車市場(chǎng)相對(duì)主流的產(chǎn)品。如何找準(zhǔn)下一步發(fā)展方向，把握市場(chǎng)機(jī)遇，開發(fā)滿足市場(chǎng)需求的新能源汽車產(chǎn)品，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)是關(guān)鍵而緊迫的問(wèn)題。本文介紹了國(guó)內(nèi)外新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)關(guān)注車用動(dòng)力電池系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、發(fā)展趨勢(shì)，并從純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的角度探討了解決目前純電動(dòng)汽車用戶需求的思路。

一、國(guó)際新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀

2015年3月25日，真鋰研究、賽迪顧問(wèn)、中國(guó)電池網(wǎng)聯(lián)合發(fā)布的調(diào)查結(jié)果顯示：2014年全球市場(chǎng)共銷售353 522輛電動(dòng)汽車，同比增長(zhǎng)56.78%。以動(dòng)力源分類，其中，純電動(dòng)汽車（EV）219 406輛，占比為62.06%；插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）134 116輛，占比為37.94%。包括美國(guó)在內(nèi)的世界主要國(guó)家和地區(qū)，EV的銷量均明顯高于PHEV，這可能反映了人們消費(fèi)電動(dòng)汽車的觀念在發(fā)生著變化——“里程焦慮”癥不再那么突出[3]。

在國(guó)際新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀看，產(chǎn)生了2種發(fā)展趨勢(shì)。一種是以日產(chǎn)LEAF、寶馬i3等為代表的基于日常代步為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的新能源汽車，另一種則是以特斯拉汽車為代表的高端純電動(dòng)汽車，突出表現(xiàn)在其動(dòng)力性能達(dá)到跑車級(jí)別，而一次充電的續(xù)航能力可達(dá)450km以上。其中，日產(chǎn)公司唯一的純電動(dòng)車型LEAF成為這一市場(chǎng)的主要車型，2014年全球銷售61 027輛，占據(jù)了新能源汽車市場(chǎng)19%的份額，主要銷售市場(chǎng)為北美，并且已經(jīng)在北美家庭第2輛汽車的市場(chǎng)上占有一席之地（北美家庭通常有2輛汽車甚至更多）?？v觀日產(chǎn)唯一成功的新能源車型LEAF可以發(fā)現(xiàn)，其車輛設(shè)計(jì)參數(shù)和市場(chǎng)運(yùn)作策略準(zhǔn)確把握了目標(biāo)市場(chǎng)的需求，北美家庭大多有獨(dú)立的車庫(kù)，因此這一市場(chǎng)的純電動(dòng)汽車充電基本不依賴公共充電設(shè)施，而家庭第2輛汽車一般作為通勤代步車輛使用，因此LEAF的一次充電續(xù)駛里程設(shè)計(jì)為175km可以完全滿足日常需求。而在LEAF之前，日產(chǎn)公司也曾推出新能源汽車，但是都不被市場(chǎng)接受慘遭失敗，其中的一個(gè)主要原因便是其動(dòng)力電池技術(shù)瓶頸始終無(wú)法突破[4]。另一個(gè)比較有代表性的案例是美國(guó)特斯拉汽車公司，這是一家以設(shè)計(jì)、制造、銷售新能源汽車為核心業(yè)務(wù)的公司，這家公司近年來(lái)成為業(yè)內(nèi)的標(biāo)桿，其創(chuàng)新性在于用IT的思維設(shè)計(jì)和生產(chǎn)汽車。在動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，特斯拉公司使用18650三元電池先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式，同時(shí)采取了主動(dòng)的熱管理系統(tǒng)，通過(guò)循環(huán)冷卻液保持動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部的熱均衡和散熱效率。目前這種熱管理系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的純電動(dòng)汽車中尚未推廣。

二、國(guó)內(nèi)新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀與不足

2014年可謂是我國(guó)新能源汽車的爆發(fā)元年，借勢(shì)國(guó)家補(bǔ)貼、地方支持、環(huán)境治理、社會(huì)認(rèn)知的多重正能量，新能源汽車成為了整個(gè)汽車行業(yè)乃至中國(guó)社會(huì)的關(guān)注焦點(diǎn)。

根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)2015年1月12日發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2014年，中國(guó)國(guó)內(nèi)新能源汽車生產(chǎn)78 499輛，銷售74 763輛，比上年分別增長(zhǎng)3.5倍和3.2倍。這標(biāo)志著中國(guó)的新能源車產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入高速增長(zhǎng)期。其中，汽車制造商們售出了45 048輛純電動(dòng)汽車，較2013年上升了211%；而插電式混合動(dòng)力車的交付量則達(dá)到了29 715輛，幾乎是上一年銷量的9倍。在此背景下，新能源汽車在2015年已被社會(huì)大眾更大程度的接受，迎來(lái)新的拐點(diǎn)[5]。

在宏觀環(huán)境一片向好的情況下，新能源汽車的發(fā)展卻并不是一帆風(fēng)順，而是面臨很多問(wèn)題。在市場(chǎng)運(yùn)作方面，目標(biāo)市場(chǎng)受到政府的主導(dǎo)，各公司在目標(biāo)用戶的需求及應(yīng)對(duì)策略上存在缺失，同時(shí)目前國(guó)內(nèi)用車環(huán)境對(duì)公共充電設(shè)施提出了大量的需求。在產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀方面，科技創(chuàng)新能力不足，產(chǎn)業(yè)發(fā)展資金短缺，消費(fèi)者缺乏對(duì)電動(dòng)汽車的認(rèn)識(shí)，相關(guān)配套設(shè)施嚴(yán)重缺乏等現(xiàn)象制約著新能源汽車的發(fā)展[6]。

同時(shí)，在車輛自身的技術(shù)能力方面，同樣存在如動(dòng)力電機(jī)功率不夠?qū)е伦罡哕囁偈芟?、車輛總體和動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱管理集成能力不足、動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度低（特別是低溫環(huán)境下可用能量不足）等諸多有待改善的地方。其中動(dòng)力電池系統(tǒng)性能不足，是阻礙純電動(dòng)汽車大規(guī)模市場(chǎng)化的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。

三、純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)的新能源汽車以純電動(dòng)汽車為主，其儲(chǔ)能系統(tǒng)就是動(dòng)力電池系統(tǒng)，承擔(dān)著整個(gè)車輛的能源供給功能。動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由以下部件組成：電池箱、電池模塊、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、安全控制模塊等。

電池箱：動(dòng)力電池系統(tǒng)的承重及物理保護(hù)部件，屬于純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中兼具傳統(tǒng)部件特點(diǎn)和新能源專用件要求的部件。

電池模塊：電能存儲(chǔ)單元，由動(dòng)力電池及相關(guān)固定輔件組成，其功能是將動(dòng)力電池固定在電池箱內(nèi)。

熱管理系統(tǒng)：熱管理系統(tǒng)可以使動(dòng)力電池在極端的溫度環(huán)境中更好的發(fā)揮其自身電性能，系統(tǒng)按照動(dòng)力電池需要可具有溫度監(jiān)控及警報(bào)功能、加熱功能、冷卻功能、安全輔助控制等功能。

電池管理系統(tǒng)：對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行管理，保證電池使用安全，保障電池使用壽命，為駕駛員和車輛控制器提供動(dòng)力電池系統(tǒng)狀態(tài)信息做為控制依據(jù)[7]。

安全控制模塊：在車輛發(fā)生碰撞時(shí)，或在電路發(fā)生短路時(shí)，為降低傷害和保證車輛乘員安全，提供被動(dòng)保護(hù)。

在各部件中，電池模塊及其內(nèi)部的動(dòng)力電池?zé)o疑是整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著能量存儲(chǔ)和輸出功能，而其它部件也為系統(tǒng)的安全、正常運(yùn)行提供必不可少的保障。動(dòng)力電池系統(tǒng)性能的提升，仰賴動(dòng)力電池性能的改善，也離不開系統(tǒng)內(nèi)其它部件的優(yōu)化。

四、純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及瓶頸

經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)性能已經(jīng)滿足基本應(yīng)用要求。截至2014年底，國(guó)內(nèi)部分品牌的純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度已經(jīng)達(dá)到100Wh/kg以上，同時(shí)動(dòng)力電池單體循環(huán)壽命達(dá)到3 000次以上，使動(dòng)力電池系統(tǒng)的質(zhì)保期限達(dá)到整車相同水平，即均滿足10年20萬(wàn)km的要求。動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)展至今，使定位在日常代步的純電動(dòng)汽車完全可以滿足上班族日常上下班的代步要求，即純電動(dòng)汽車已可以勝任一個(gè)家庭的第2輛汽車的職責(zé)。

然而，就目前的情況而言，純電動(dòng)汽車依然無(wú)法滿足人們?cè)诖街獾男枨?。其中作為純電?dòng)汽車的能源承載系統(tǒng)，動(dòng)力電池系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸主要是，能量密度低、充電時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)力電池單體的不一致性影響系統(tǒng)壽命等[8]。

在能量密度方面，雖然近年來(lái)動(dòng)力電池單體的能量密度不斷的提升，但是受限于集成成組技術(shù)，系統(tǒng)的能量密度一直并沒(méi)有質(zhì)的改善。以磷酸鐵鋰電池為例，單體能量密度已從100Wh/kg提升至130Wh/kg，但是組成動(dòng)力電池系統(tǒng)之后的系統(tǒng)能量密度僅僅從70Wh/kg提升至80Wh/kg。哪怕是使用了能量密度較高的三元鋰離子電池，國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度也只提高到100Wh/kg左右，即使是特斯拉其電池系統(tǒng)能量密度也僅達(dá)到170Wh/kg，與傳統(tǒng)能源（汽油約1 2000Wh/kg，按照20%的轉(zhuǎn)化率，約2 400Wh/kg）無(wú)法比擬。

充電時(shí)間方面，國(guó)內(nèi)大多數(shù)純電動(dòng)汽車使用車載充電機(jī)完成一次充電的時(shí)長(zhǎng)都大于8h，即使使用大功率的直流快速充電，出于多種因素考慮，使動(dòng)力電池系統(tǒng)完全充滿電的時(shí)間也大約在1h。以特斯拉為例，其家用普通充電方式的充電時(shí)長(zhǎng)超過(guò)8h，使用其特有的超級(jí)充電站也僅達(dá)到45min可充電至80%電池容量。這種充電時(shí)長(zhǎng)與傳統(tǒng)燃油汽車10min把油箱加滿的時(shí)長(zhǎng)也是不同的數(shù)量級(jí)。

關(guān)于動(dòng)力電池一致性的問(wèn)題，純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈上的各個(gè)廠家均一直致力于提高動(dòng)力電池系統(tǒng)中單體的一致性，但是目前為止都沒(méi)有取得理想的成績(jī)。同時(shí)，電池管理系統(tǒng)對(duì)提高動(dòng)力電池系統(tǒng)單體一致性方面貢獻(xiàn)較小，僅具有監(jiān)管功能而缺少治理能力，致使動(dòng)力電池系統(tǒng)的單體一致性這一技術(shù)瓶頸始終突破不大。

在動(dòng)力電池系統(tǒng)遇到技術(shù)瓶頸的同時(shí)，充電網(wǎng)絡(luò)的不完善也阻礙了行業(yè)的發(fā)展，使車輛使用者在用車的過(guò)程中信心更加不足。即使在電動(dòng)車推廣力度很大的北京市，公共充電樁的數(shù)量也明顯難以滿足需求：朝陽(yáng)區(qū)有快慢充電樁131個(gè)，數(shù)量居北京各區(qū)之冠，而區(qū)內(nèi)常住人口接近400萬(wàn)，平均每個(gè)充電樁要為3萬(wàn)人服務(wù)，可謂杯水車薪。北京市公共充電樁分布情況詳見表1所示。

五、未來(lái)短期內(nèi)動(dòng)力電池系統(tǒng)的發(fā)展方向

純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車在汽車使用過(guò)程中能夠真正實(shí)現(xiàn)零排放，并且可緩解石油短缺的問(wèn)題，這必將成為我國(guó)發(fā)展新能源汽車的重要方向[9]。但是按照目前的情況看，燃料電池離真正的市場(chǎng)化還有一定距離，而在現(xiàn)有電池材料體系下，動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度發(fā)生質(zhì)的提升非常困難。根據(jù)現(xiàn)在運(yùn)行的出租車調(diào)研的情況看（表2），基本每天充電次數(shù)在2～3次，最大日均行駛里程不足300km。然而，由于充電時(shí)間長(zhǎng)，出租車司機(jī)工作時(shí)間明顯變長(zhǎng)，由于在車輛充電時(shí)得不到有效的休息，身體負(fù)擔(dān)加重，但是每天有效工作量卻只有傳統(tǒng)燃油出租車的2/3。

出租車是日均行駛里程較多的群體，如能滿足出租車用車需求，則基本可滿足普通消費(fèi)者的使用需求。按照出租車運(yùn)營(yíng)實(shí)際情況，在目前充電網(wǎng)絡(luò)不能滿足隨停隨充的前提下，動(dòng)力電池系統(tǒng)的短期發(fā)展可分2個(gè)方向：其一，參考業(yè)內(nèi)標(biāo)桿特斯拉汽車的模式，提升電池容量使單次充電最短續(xù)駛里程達(dá)到300km以上；其二，加大基礎(chǔ)研究投入，綜合提高電池材料性能和電池充電速率，并降低大功率充電對(duì)電池壽命的影響，使充電時(shí)間縮短至15min以內(nèi)。

提升電池容量使單次充電最短續(xù)駛里程至少達(dá)到300km，這樣可以保證車輛在夜間使用者睡覺(jué)時(shí)把電充滿并滿足第2天的使用不需要充電，直到晚上回家后充電。按照目前百公里綜合工況能耗在16kWh以下，計(jì)算則要求在不增加車輛百公里能耗的前提下動(dòng)力電池系統(tǒng)額定電量達(dá)到48kWh以上。

降低電池快速充電對(duì)電池壽命的影響并使快速充電時(shí)間縮短至15min，可減少充電等待時(shí)間，使充電時(shí)間向普通汽油車加油時(shí)間靠攏，提高充電便捷性。但目前根據(jù)市場(chǎng)上能量型的動(dòng)力電池的規(guī)格書，最大允許充電電流數(shù)值與其容量數(shù)值相同，快充充滿大約需要1h，如果將充電電流提升至目前充電電流的4倍，困難可想而知。

同時(shí)，筆者認(rèn)為基于北美市場(chǎng)開發(fā)出來(lái)的日產(chǎn)LEAF的模式在國(guó)內(nèi)并不可取。在北美大多數(shù)家庭住房是帶有車庫(kù)及受保護(hù)固定車位的，因此可以不依賴公共充電設(shè)施給電動(dòng)汽車充電。在中國(guó)，情況正好相反，大多數(shù)家庭住房是樓房，沒(méi)有車庫(kù)和受保護(hù)的固定停車位，必須依賴公共充電設(shè)施。這正是LEAF依靠北美市場(chǎng)占據(jù)接近20%的全球市場(chǎng)份額而在中國(guó)市場(chǎng)卻并不成功的重要原因。

六、展望

純電動(dòng)汽車在經(jīng)歷了2014年的爆發(fā)后，2015年將迎來(lái)新的拐點(diǎn)。隨著純電動(dòng)汽車市場(chǎng)化步伐加快，針對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的更高要求也接踵而至。面對(duì)消費(fèi)者對(duì)純電動(dòng)汽車性能的疑惑和顧慮，動(dòng)力電池系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展首先要考慮的是市場(chǎng)的需求。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用戶時(shí)間成本的提高，使用電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)能源汽車相比，不占用用戶額外的時(shí)間是一種解決問(wèn)題的思路。在充電網(wǎng)絡(luò)尚需完善的今天，使一次充電的續(xù)駛里程滿足用戶一天的需求，或者充電時(shí)間縮短至與傳統(tǒng)能源汽車加油的時(shí)間相當(dāng)，是打消用戶疑慮，提升用戶體驗(yàn)的最可行方案。

在動(dòng)力電池能量密度無(wú)法成倍增長(zhǎng)的現(xiàn)實(shí)限制下，如何通過(guò)純電動(dòng)汽車其他部件的輕量化以增加動(dòng)力電池系統(tǒng)的質(zhì)量和體積進(jìn)而增加額定能量可能是最直接的方法。而通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池的升級(jí)，降低大功率充電對(duì)電池壽命的影響，將是動(dòng)力電池及其上游材料企業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。

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