新能源電動汽車發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及制造技術

1.世界新能源汽車發(fā)展歷程1993年9月美國推出了汽車能源可持續(xù)發(fā)展的PNGV計劃（thepartnershipforanewgenerationofvehicle），美國聯(lián)邦政府和美國大汽車公司為實現(xiàn)PNGV計劃投入了大量的資金和技術力量。美國三大汽車公司進行了分工合作，圍繞安全、節(jié)能減排及環(huán)保等，全面研究新能源、能源儲備、電子技術、新型材料、制造技術及車輛輕量化，開發(fā)和制造了多種新型概念車，推動電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車達到規(guī)模經濟效益。美國在2002年9月發(fā)布的“自由汽車開發(fā)計劃”在很多方面為新能源汽車發(fā)展推進了一步，特斯拉是一個受益者和成功的案例。歐盟在歐洲推出新能源和電動汽車的研究計劃，推出的FP（frameworkprogramme）系列計劃中，1998—2002年的FP5計劃中的“能源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展”小項目，對燃料電池及其相關技術進行了廣泛的研究，2008年金融危機后，歐盟提出了“環(huán)保型經濟的中期規(guī)劃”，打造具有國際水平的綠色產業(yè)，同時各國有各自的研究計劃。電動車似乎已成為英國建設“凈零”城市的重要抓手，承諾在2050年之前將碳排放量降為零。日本由于石油幾乎全部依靠進口，因此，20世紀70年代就注意對電動汽車的研究和開發(fā)。2000—2015年由日本經濟產業(yè)負責實施氫燃料電池示范工程，豐田公司1997年在全球率先開始銷售量產混合動力乘用車普銳斯，2000年在北美、歐洲等銷售，到2007年就突破100萬輛，2019年豐田的氫燃料電池車Mirai充氫只需3～5min，5kg氫氣可續(xù)航650km?！笆晃濉逼陂g我國為發(fā)展節(jié)能、減排及環(huán)保汽車，制定了中國新能源汽車“三縱、三橫”的發(fā)展規(guī)劃，將開發(fā)重點傾向于混合動力汽車，并推出純電動汽車關鍵技術研發(fā)和市場應用路線，之后再進一步帶動電動燃料汽車的推廣，展示了中國新能源汽車戰(zhàn)略路線圖。在國家的推動下，汽車企業(yè)積極行動，目前新能源電動車在世界范圍內處于領先地位。2.電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀2014、2015及2016年，全球電動汽車市場連續(xù)增長超過50%，2016年中國電動汽車市場超過100萬輛，占世界的50%以上。2012年美國電動汽車銷量是中國的4倍，中國只是一個配角。2016年中國電動汽車的銷量是美國的2倍，占全球的40%。2018年全球電動汽車銷量總數(shù)為210萬輛，占整個乘用車市場2.2%。2019年全球電動汽車銷量達到230萬輛，市場份額為2.5%。2019年燃油車相比2018年下降435萬輛，降幅為4.7%。美國2019年電動汽車市場下降3.2萬輛，降幅為8.9%，燃油車下降18萬輛，降幅1%。美國電動汽車市場份額從2.1%降到1.9%。中國2019年汽車銷量為2576.9萬輛，同比下降8.2%，其中電動車120.6萬輛，市場份額從4.5%上升到4.7%。圖1為2017、2018及2019年中國乘用車市場每月的銷量。預計2020年歐洲燃油車的產量1450萬輛，電動汽車有望突破100萬輛，約占市場份額6%。預計2020年汽車總銷量持續(xù)下降，電動車反而會增長，有望突破3%。圖1

2017、2018及2019年中國乘用車市場月銷量3.電動汽車三大核心零件（1）電動機。與傳統(tǒng)能源汽車不同，電動汽車的核心是三電技術，即電動機、電池和電控技術。目前電動汽車的驅動電動機有以下幾種：直流電動機、交流感應電動機、永磁無刷直流電動機、永磁同步電動機及開關磁阻電動機。美國2025年電動機發(fā)展路線見表1，通過提高高硅鋼片牌號降低中高速段鐵耗，通過發(fā)卡阻工藝降低銅耗等，這些方法都能夠提高電動機效率。表1

美國電動機發(fā)展情況（2）電池。純電動汽車的電池技術是其核心競爭力。近幾年，我國動力電池需求量經歷了爆發(fā)式增長，2019年國內新能源汽車銷售120.6萬輛，動力電池裝機量達62.37GWh，同比2018年增長9.5%，目前，動力電池主要分為三大體系，分別是三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池和錳酸鐵鋰電池，其中，磷酸鐵鋰電池和錳酸鐵鋰電池憑借著較低的價格和穩(wěn)定的性能，大量應用于電動客車，市場份額呈現(xiàn)增長態(tài)勢。按照另外一種分法，把電池分為方殼電芯、軟包電芯和圓柱電芯。方殼電芯在整個市場占據壓倒性的優(yōu)勢，在新能源乘用車和純電動客車市場，都占有絕對的地位。軟包電芯主要用于插電式客車市場，圓柱電芯主要局限于部分純電動乘用車，在純電動專用車里面使用較多。電池技術發(fā)展對NEV產品有關鍵性影響，電池技術路線為磷酸鐵鋰→三元鋰→固態(tài)電池。未來達到更高的能量密度目標需要轉變到固態(tài)電池的技術體系。固態(tài)電極+固體電解液，系統(tǒng)能量密度高，由于電解質無流動性，易通過內串聯(lián)組成高電壓單體，有望達到500Wh/kg，安全性高，沒有引發(fā)電解液燃燒的問題。德國大眾電池續(xù)航里程提升計劃如圖2所示。電池技術的進步將改善電池的續(xù)航里程、質量和成本。圖2

德國大眾電池續(xù)航里程提升計劃（3）電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)與動力電池緊密結合在一起，對電池各項指標進行檢測并控制輸出，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的通信。電池管理系統(tǒng)的基本功能框架如圖3所示。圖3

電池管理系統(tǒng)的基本功能框架隨著電子技術、計算機技術的發(fā)展，汽車電控技術得到很大發(fā)展，特別是在控制精度、控制范圍、智能化和網聯(lián)化等方面有較大的突破。汽車電子控制技術是衡量汽車先進水平的標志。具有高集成度、高可靠性及高安全性的一體化控制器，集成化程度高，有益于電動汽車的總布置，有益于電動汽車的輕量化、標準化，有益于信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，同時一體化控制器降低了傳導干擾并進一步降低整車故障率，增強整車安全性，大幅度降低電動汽車成本，促進電動汽車市場的商業(yè)化。4.電動汽車制造工藝新能源汽車的制造一方面與傳統(tǒng)汽車的制造在制造工藝和裝備上有傳承關系，另一方面由于新能源汽車采用了新的動力來源和驅動系統(tǒng)以及相應的控制系統(tǒng)，在制造上又與傳統(tǒng)汽車在生產工藝設備上存在很大差異。（1）整車制造及總裝。新能源汽車在整車車身的制造上，與傳統(tǒng)汽車的車身差別不大，通常還是需要沖壓、焊裝及涂裝等工藝及相應的設備和輸送裝置等。在總裝配工藝流程中主要的變化是需相應地安排電池、電動機、電控裝置及高壓線束等新增零部件的裝配以及電動空調、電動助力轉向系統(tǒng)等電驅動的其他汽車零部件的裝配工序和相應的工裝。在整車檢測上，新能源汽車工藝與裝備和傳統(tǒng)汽車有明顯差別。一般說來，整車檢測涉及到汽車主要功能、性能檢驗的各個方面。新能源電動汽車新增了電驅動系統(tǒng)及高壓電系統(tǒng)的檢測等，加強了電性能和電安全性的檢測（見圖4）。圖4

整車制造及總裝（2）電動汽車動力總成。系統(tǒng)電動汽車動力總成的關鍵制造技術主要體現(xiàn)在電動機系統(tǒng)、電池系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)的制造上。與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車裝配線的工藝變化最為突出。在電動汽車中，電動機系統(tǒng)涉及到電動機控制系統(tǒng)、機械減速及傳動裝置等部件的制造，以及電池模組和電池包的裝配工藝。1）電動機，交流感應電動機結構如圖5所示。圖5

交流感應電動機結構涉及到電動機殼體加工、后端蓋加工、電動機整體裝配加工和轉子加工。德國GROB公司是全面投身于“電動汽車”領域的制造商之一，重點是電動機的基本組成部分，如前述三個主要零件，新型高度靈活的伺服控制機床用于電動機部件定子和轉子的量產。特別是定子生產中，有多種將銅線圈入定子槽的制造工藝。GROB公司產品線包含了電動機整個制造過程，從波繞技術到Hairpin線成型工藝再到扇繞技術，電動機的核心過程是將銅線卷入定子的過程。轉子軸變化的工藝有感應、淬火、硬加工及內齒輪磨削等，目前汽車電動機已經成為整車廠投資的熱點。電動機轉子軸制造系統(tǒng)如圖6所示。圖6

電動機轉子軸制造系統(tǒng)2）機械減速及傳動裝置，機械減速及傳動裝置涉及到同步襯套、齒輪和差速器等變化的生產工藝，主要涉及磨削、滾齒及焊接等工藝。3）電池裝配線，目前，大部分車企都在投資建電池工廠，高自動化、數(shù)字化及擁有先進技術的現(xiàn)代化工廠正在規(guī)劃中。動力電池組裝自動化生產主要包括分配組工藝、自動焊接工藝、半成品組裝工藝、測試工藝、PACK檢測工藝以及PACK包裝工藝。典型工藝流程為：殼體組裝或焊接→電池模組入箱→電氣線路及零件安裝（安裝線束，安裝BMS系統(tǒng)等）→在線電氣測試→整包合蓋密封（涂膠/螺栓擰緊）→最終測試（線末檢測、電氣測試、絕緣性檢測、充電等）→密封測試→下線（見圖7）。圖7

電池裝配線工藝流程4）AGV在電池包生產中的應用，近年來，新能源得到飛速發(fā)展，AGV柔性化滿足了新能源汽車及動力電池產業(yè)對自動化的要求，逐漸被廣泛應用。AGV新能源電池包組裝PACK生產線的應用，可提升生產效率、降低生產成本、并實現(xiàn)生產制造的數(shù)字化、柔性化甚至智能化。AGV組成的生產線可以實現(xiàn)靈活多變的工藝及編排，很好地實現(xiàn)不同品種產品的生產，在產品變更工藝布局調整中，大幅降低改造成本和周期。這部分重點關注兩個方面：①保證電池裝配線安全，涉及安全硬件、操作安全管理、運行安全管理等。②控制AGV與節(jié)拍的矛盾，涉及緩存、交通管制點等，在保證安全的前提下，縮短運輸設備在無工位區(qū)間內的運行時間。5）電池密封工藝，目前有兩種，一種是螺栓擰緊，另一種是涂膠+FDS。①螺栓擰緊：電池包上蓋附著一層發(fā)泡密封圈，通過螺栓擰緊將上下殼體聯(lián)結。優(yōu)點是無需涂膠、工藝簡單；缺點是一段時間后密封圈容易老化，密封性能下降，將來優(yōu)化改進，還需加些涂膠。②涂膠+FDS：先在上殼體由機器人涂敷一層密封膠水，再由機器人將上蓋放置在下殼體上，通過FDS工藝進行合蓋。優(yōu)點是長期密封性好，缺點是自動化精度要求高，拆卸困難，工藝較復雜。鋁合金熱熔自攻螺紋鉚接：FDS是flow-drillscrews的縮寫，是通過螺釘?shù)母咚傩D軟化待聯(lián)結的板材，并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待聯(lián)結板材，最終在板材與螺釘之間形成螺栓聯(lián)結（見圖8）。圖8鋁合金熱熔自攻螺紋鉚接1—旋轉加熱2—鉆孔3—擴孔4—攻螺紋5—全螺紋接合6—擰緊6）刀具，很多刀具制造廠積極與主機廠合作，比如德國MAPAL、GUEHRING及WALTER，他們共同規(guī)劃工藝方案，設計用于電動汽車加工的創(chuàng)新刀具。筆者與德國GUEHRING公