全面審視中國汽車產業的電動化進程

編者按

2017年6月29日，在北京舉辦2017汽車生態設計國際交流會，工業和信息化部節能與綜合利用司司長高雲虎在報告中指出，工業和信息化部按照《製造2025》的要求，正在全面推行綠色製造，構建綠色製造體系，在做好節能減排、降本降耗的減法的同時，積極培育綠色發展新動能，做好提質增效的加法。通過強化產品全生命周期管理，加快推進產品綠色設計工作。組織創建綠色設計示範企業，發布99家試點企業名單；推進綠色設計產品評價，制定發布17項綠色設計產品評價標準，發布兩批綠色設計產品名錄，遴選14類119種綠色設計標杆產品。目前，工業和信息化部正在加快推進50餘項綠色設計產品評價標準制定工作，預計10月份將發布一批新的綠色設計產品評價標準。

的汽車行業正在進入一個大變革時期，競爭格局將被重塑。這種變革，和的國家工業發展戰略相呼應，對於汽車產業的參與者來說，大變革在摧毀舊秩序，也帶來了更多的機會。2017年4月，工業和信息化部發布了「汽車產業中長期發展規劃」，為未來十年汽車行業的發展提供了「指南」。

政策旨在將從全球最大的汽車市場轉變為全球領先的汽車生產基地，利用新能源汽車（NEV）技術作為加快汽車產業發展和轉型的切入點。具體而言，該指南為NEV公司設定了一個目標，即到2020年躋身全球十大新能源汽車公司之列，並在2025年之前進一步擴大其在全球的影響力和市場份額。新能源車銷量目標：

• 2020年，達到200萬輛

• 2025年，達到700萬輛（占汽車總銷量的20％）

由於汽車行業發展時間相對較短，且缺乏在內燃機（ICE）技術等方面的先進汽車技術經驗，因此汽車廠商一直難以在汽車行業獲得全球領先地位，而NEV市場則開闢了一個新窗口。在NEV領域，跨國公司尚未建立起全球市場的絕對領導地位，這給了公司實現彎道超車的可能，並在未來的全球汽車產業競爭中獲得優勢。

的目標是圍繞NEV開發一種全新的汽車生態系統和供應鏈，在驅動21世紀汽車產業發展的關鍵技術取得領先地位，並將重點放在電池、電池管理系統（BMS）和電子控制系統技術。新能源汽車技術商業化的核心在於鋰電池技術的進步。

過去十年，鋰電池技術快速發展，能量密度和動力不斷提高，生產規模擴大的同時，電池價格也在下降。 越來越多的消費者選購新能源汽車，同時，新能源汽車在交通運輸服務（公車、貨車）和移動出行公司（滴滴、神舟、易到、曹操租車等）里的滲透率也越來越高，這些將逐步推動規模經濟，有助於進一步降低成本。 將新能源汽車打造成為產業政策的核心支柱，能讓企業把研發重點放在解決現有的商業化障礙所需要的技術突破上。

在新能源汽車市場度過啟動階段后，電池供應商將進一步擴大他們在研發方面的投入。 隨著技術的進步和需求的增加，目前在新能源汽車成本中佔比最多（約30%至40%）的電池成本正在穩步下降（見圖1）。 行業專家預測，到2025年，NEV的購買成本可能與傳統的內燃機（ICE）車輛相當。

此外，由於充電基礎設施和相關服務的普及，消費者將更願意購買新能源汽車。主流新能源車企的電池價格已經降到200-250美元/度，預計十年內還會降到120美元/度以下。

圖1 鋰電池組預計成本

除了解決電池成本這一首要挑戰，新能源汽車要實現大規模商業化仍需解決以下問題：

1.電池的能量密度和功率

2.常規和特殊情況下的安全性和化學穩定性，例如正常使用，充電和發生事故時。一旦發生事故，若未能妥善處理，會對新能源汽車的形象造成災難性損害;

3.充電速度和充電基礎設施的發展。

車企在設計電動汽車時，必須平衡幾個供需方面的因素。 在需求方面，他們必須考慮駕駛環境、充電基礎設施、典型工作周期和續航里程。 在供應方面，廠商必須選擇合適的化學電池、電池包解決方案、熱管理系統、電池管理系統、充電系統及恰當的定價體系，以滿足客戶的需求。 下文中，我們將具體探討這些因素的發展狀況。

化學電池

化學電池的選用決定了電動汽車的整體成本、性能和續航里程。目前，市場上有多種鋰電池（見圖2），供應商和廠商會根據客戶的具體需求進行選擇。例如：磷酸鐵鋰電池（LFP）相對便宜、安全性能更高、使用壽命更長，但性能較差、容量較小。如果市場首要考慮的因素是成本，抑或是駕駛習慣（不包括額外的續航里程和動力），那麼此類電池更加符合市場需要。

圖2 鋰電池主要化學概述

其他化學電池，如鎳鈷錳鋰氧化物（NMC）在容量和可用功率方面總體性能較好，但製造成本更高（主要原因是原材料價格高）。雖然價格更高，但由於表現更好，所以製造商普遍傾向使用NMC的混合材料。

受益於主要廠商和機構大量投入研發資金，鋰空氣電池和固態電池等前景良好的新興技術也在迅速發展。這些化學電池能夠提供更大的容量、功率以及更好的安全性，並將對新能源汽車行業產生重要影響。除此之外，這些新興化學電池將有助於汽車廠商進一步優化電動汽車的整體性能。

不過，這些先進的電池技術還需要經過幾年的生產準備，才能達到商業化階段。

實驗室中突破性的新技術要進入市場，就先要不斷進行小規模測試和科學探索，在能進入大規模生產之前，還需製造概念性的原型機。整個過程通常耗時7-10年。因此，直到2025年，以鋰離子電池為基礎的化學技術仍將是生產汽車的最先進技術。

電池包

電池包也是發展新能源汽車的主要考慮因素。如果能夠將更多電池組裝入車輛，車輛的動力和儲能容量將會提高。廠商可以使用數種安裝方法增加電池的數量、體積和密度。電動汽車廠商也試圖在其車型中使用通用性的電池模塊，以降低成本。

增加電池組雖然能改善車輛性能，但也需要額外的空間，還會增加車輛的成本和重量。因此，新能源汽車廠商（如特斯拉）正在從下至上地設計車輛，以優化電池的放置、提供更多的能量，同時降低汽車的重心。在不犧牲車輛內部空間的前提下，上述舉措可以提高車輛的動態駕駛和操縱性能。

大眾的全電動MEB平台旨在在提高駕駛里程的同時，提供舒適的內部空間及更好的舒適性和操控性。平板電池封裝法是目前新能源汽車的主要封裝方法，有效地減少了車輛的轉彎半徑，為在城市駕駛的司機提供了更為合適的解決方案。

在電動汽車生命周期中，良好的熱管理是優化電池壽命和性能的前提。通過電池來實現電量的儲存和轉移的相關化學過程在﹣10到30°C的溫度範圍效果最佳。

因此，溫度是影響電池安全的重要因素，設計師通常會在電池組中加入加熱和冷卻元件，將電池包控制在理想的溫度範圍內。在快速充電或採用其他形式的高壓能量轉移方法時，熱管理尤為重要。

但是，熱管理會增加整個電動汽車子系統的成本和封裝體積。許多電動汽車廠商會在要求較低的入門級電動汽車中使用被動熱管理，而豪華電動汽車更多採用主動的熱管理。

電池管理系統（BMS）是電動汽車的「中樞神經系統」。BMS直接影響整個EV子系統的設計和性能。相比控制系統中的其他部件，電池管理系統經歷了最大的技術飛躍，甚至可以這麼說，電池管理系統直接決定了電動汽車的性能。

1、採用主動平衡拓撲技術，管理電池組的充電、放電和使用情況；

2、軟體和硬體系統中加入更多的電池單元、更大容量與更高電壓的電池，以及使用BMS為電池配置更多容量和更大功率的動態陣列電池單元；

3、製造小型的電池管理系統，創建更小、更集成的系統，以降低空間需求，增加電池包成品的能量密度。

充電方案

電動汽車所需的充電方案是新能源汽車的主要限制因素。潛在消費者普遍關心汽車的行駛里程，以及能否輕鬆方便地「加油」，避免長時間掉鏈子、有車無法開的窘況。 新能源汽車主機廠正在考慮包括高壓直流充電等選擇方案，以提高充電效率、加速充電過程。

雖然目前的快速充電過程會對電池組造成額外的壓力，快充可能會降低電池壽命和性能。但專家一致認為，未來十年，電動汽車快速充電不到10分鐘，便能夠行駛600公里。

其他解決方案包括感應式無線充電技術，它完全集成在一個充電設施上，能夠最終解決汽車充電期間的停工問題；無線充電同時適用於具有預定路線的車隊應用，比如公車。具有無線充電基礎設施的城市可為運輸服務車隊的電動化開闢一條全新的道路。

政府利用法規政策，鼓勵新能源汽車生產、電池採購本地化和提供市場激勵，大力引導市場進入電動化階段。

市場已有許多不同成熟度的電池供應商。雖然許多國際汽車製造商仍依賴國外的電池供應商進行技術研發和創新，不少國內外的汽車製造商正在投資新能源汽車本地化，本土電池供應商正在迅速發展。

預計2016年至2020年，全球鋰離子電池產量將擴大500％以上。到2020年，主要的鋰離子電池大規模生產將集中在四個國家，而會成為最大的鋰電池生產國（見圖3）。

1.設立遠大目標： 2020年的新能源汽車銷售量要達到200萬台，2025年的新能源汽車銷售量要達到700萬台；2020年前的計劃相關支出為630億元。

2.提高技術要求和激勵措施，以實現駕駛里程、電池壽命、安全維護標準等方面的技術突破;

3.按照要求，新能源汽車製造商需要從獲得批准的電池供應商處採購電池，以進入新能源汽車目錄和獲得補貼；

4.推動NEV在公有和商業車隊部署，以加快規模化發展，包括：

a.要求公有車隊的新購車輛含有50％的新能源汽車（其中包括公車在特定省份所佔比例需達到30％〜80％)

b. 購買NEV將享有稅收優惠、補貼，以及車牌優惠

5.承諾廣泛建設充電基礎設施，以支持NEV的大規模使用。

圖3 全球鋰離子電池的產量預測

在2016年至2020年間將增長超過500%

在政府強有力的政策支持下，汽車廠商正在與本土企業進行更多的合作。電池技術不斷成熟並開始投入商用，採購可以帶來引人注目的規模優勢和成本優勢，因此有幾家公司正在重新考慮他們的全球採購戰略。

許多跨國品牌正在與全球電動汽車生態系統合作夥伴合作開發和生產電池。 例如，特斯拉與松下、通用汽車與LG化學公司正在緊密合作。

此外，為了平衡技術和成本競爭力，高端汽車品牌也在探索合作夥伴關係。 例如，豪華汽車廠商寶馬和捷豹路虎正在與福特建立合作關係，共同建立聯合電池工廠。通過品牌之間的合作以帶動規模，汽車廠商可以通過電池採購實現有競爭力的成本結構（見圖4）。

圖4 高端品牌之間的協作生態系統

1.車輛系統集成：通過優化性能和操控，將動力系統集成到整車的能力;

2. EV子系統集成：選擇和集成電池單元，電池管理系統和電機技術，提供符合汽車使用周期的動力解決方案;

3.電池單元技術：一種符合車輛的使用要求的，平衡能源需求、容量和成本的解決方案;

4.電池管理系統：作為汽車的中樞神經系統，BMS必須管理EV子系統的整體性能，同時監控並確保對關鍵性能指標的有效管理。

在，電動汽車市場正在迅速發展，競爭格局仍處於早期發展階段。隨著將重點轉向迅速擴大其電動汽車市場規模和產業鏈各環節的製造能力，這將成為全球汽車主機廠決定如何開發和建立供應商生態系統以進行高效競爭的關鍵時刻。

藍海長青智庫