新能源電動(dòng)汽車發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及制造技術(shù)

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(jì)劃（thepartnershipforanewgenerationofvehicle），美國聯(lián)邦政府和美國大汽車公司為實(shí)現(xiàn)PNGV計(jì)劃投入了大量的資金和技術(shù)力量。美國三大汽車公司進(jìn)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(chǔ)備、電子技術(shù)、新型材料、制造技術(shù)及車輛輕量化，開發(fā)和制造了多種新型概念車，推動(dòng)電動(dòng)汽車、燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。美國在2002年9月發(fā)布的“自由汽車開發(fā)計(jì)劃”在很多方面為新能源汽車發(fā)展推進(jìn)了一步，特斯拉是一個(gè)受益者和成功的案例。歐盟在歐洲推出新能源和電動(dòng)汽車的研究計(jì)劃，推出的FP（frameworkprogramme）系列計(jì)劃中，1998—2002年的FP5計(jì)劃中的“能源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展”小項(xiàng)目，對(duì)燃料電池及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，2008年金融危機(jī)后，歐盟提出了“環(huán)保型經(jīng)濟(jì)的中期規(guī)劃”，打造具有國際水平的綠色產(chǎn)業(yè)，同時(shí)各國有各自的研究計(jì)劃。電動(dòng)車似乎已成為英國建設(shè)“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(jìn)口，因此，20世紀(jì)70年代就注意對(duì)電動(dòng)汽車的研究和開發(fā)。2000—2015年由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)負(fù)責(zé)實(shí)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(chǎn)混合動(dòng)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(diǎn)傾向于混合動(dòng)力汽車，并推出純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和市場(chǎng)應(yīng)用路線，之后再進(jìn)一步帶動(dòng)電動(dòng)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(dòng)下，汽車企業(yè)積極行動(dòng)，目前新能源電動(dòng)車在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。2.電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀2014、2015及2016年，全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)連續(xù)增長超過50%，2016年中國電動(dòng)汽車市場(chǎng)超過100萬輛，占世界的50%以上。2012年美國電動(dòng)汽車銷量是中國的4倍，中國只是一個(gè)配角。2016年中國電動(dòng)汽車的銷量是美國的2倍，占全球的40%。2018年全球電動(dòng)汽車銷量總數(shù)為210萬輛，占整個(gè)乘用車市場(chǎng)2.2%。2019年全球電動(dòng)汽車銷量達(dá)到230萬輛，市場(chǎng)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(dòng)汽車市場(chǎng)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(dòng)汽車市場(chǎng)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(dòng)車120.6萬輛，市場(chǎng)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(chǎng)每月的銷量。預(yù)計(jì)2020年歐洲燃油車的產(chǎn)量1450萬輛，電動(dòng)汽車有望突破100萬輛，約占市場(chǎng)份額6%。預(yù)計(jì)2020年汽車總銷量持續(xù)下降，電動(dòng)車反而會(huì)增長，有望突破3%。圖1

2017、2018及2019年中國乘用車市場(chǎng)月銷量3.電動(dòng)汽車三大核心零件（1）電動(dòng)機(jī)。與傳統(tǒng)能源汽車不同，電動(dòng)汽車的核心是三電技術(shù)，即電動(dòng)機(jī)、電池和電控技術(shù)。目前電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有以下幾種：直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)及開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。美國2025年電動(dòng)機(jī)發(fā)展路線見表1，通過提高高硅鋼片牌號(hào)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(dòng)機(jī)效率。表1

美國電動(dòng)機(jī)發(fā)展情況（2）電池。純電動(dòng)汽車的電池技術(shù)是其核心競(jìng)爭力。近幾年，我國動(dòng)力電池需求量經(jīng)歷了爆發(fā)式增長，2019年國內(nèi)新能源汽車銷售120.6萬輛，動(dòng)力電池裝機(jī)量達(dá)62.37GWh，同比2018年增長9.5%，目前，動(dòng)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(jià)格和穩(wěn)定的性能，大量應(yīng)用于電動(dòng)客車，市場(chǎng)份額呈現(xiàn)增長態(tài)勢(shì)。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(gè)市場(chǎng)占據(jù)壓倒性的優(yōu)勢(shì)，在新能源乘用車和純電動(dòng)客車市場(chǎng)，都占有絕對(duì)的地位。軟包電芯主要用于插電式客車市場(chǎng)，圓柱電芯主要局限于部分純電動(dòng)乘用車，在純電動(dòng)專用車?yán)锩媸褂幂^多。電池技術(shù)發(fā)展對(duì)NEV產(chǎn)品有關(guān)鍵性影響，電池技術(shù)路線為磷酸鐵鋰→三元鋰→固態(tài)電池。未來達(dá)到更高的能量密度目標(biāo)需要轉(zhuǎn)變到固態(tài)電池的技術(shù)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(zhì)無流動(dòng)性，易通過內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體，有望達(dá)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(jì)劃如圖2所示。電池技術(shù)的進(jìn)步將改善電池的續(xù)航里程、質(zhì)量和成本。圖2

德國大眾電池續(xù)航里程提升計(jì)劃（3）電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)與動(dòng)力電池緊密結(jié)合在一起，對(duì)電池各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)并控制輸出，實(shí)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(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，汽車電控技術(shù)得到很大發(fā)展，特別是在控制精度、控制范圍、智能化和網(wǎng)聯(lián)化等方面有較大的突破。汽車電子控制技術(shù)是衡量汽車先進(jìn)水平的標(biāo)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(dòng)汽車的總布置，有益于電動(dòng)汽車的輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化，有益于信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，同時(shí)一體化控制器降低了傳導(dǎo)干擾并進(jìn)一步降低整車故障率，增強(qiáng)整車安全性，大幅度降低電動(dòng)汽車成本，促進(jìn)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的商業(yè)化。4.電動(dòng)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(guān)系，另一方面由于新能源汽車采用了新的動(dòng)力來源和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，在制造上又與傳統(tǒng)汽車在生產(chǎn)工藝設(shè)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(yīng)的設(shè)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(yīng)地安排電池、電動(dòng)機(jī)、電控裝置及高壓線束等新增零部件的裝配以及電動(dòng)空調(diào)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等電驅(qū)動(dòng)的其他汽車零部件的裝配工序和相應(yīng)的工裝。在整車檢測(cè)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(cè)涉及到汽車主要功能、性能檢驗(yàn)的各個(gè)方面。新能源電動(dòng)汽車新增了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及高壓電系統(tǒng)的檢測(cè)等，加強(qiáng)了電性能和電安全性的檢測(cè)（見圖4）。圖4

整車制造及總裝（2）電動(dòng)汽車動(dòng)力總成。系統(tǒng)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的關(guān)鍵制造技術(shù)主要體現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)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(dòng)汽車裝配線的工藝變化最為突出。在電動(dòng)汽車中，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)涉及到電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)械減速及傳動(dòng)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(dòng)機(jī)，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5

交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)涉及到電動(dòng)機(jī)殼體加工、后端蓋加工、電動(dòng)機(jī)整體裝配加工和轉(zhuǎn)子加工。德國GROB公司是全面投身于“電動(dòng)汽車”領(lǐng)域的制造商之一，重點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的基本組成部分，如前述三個(gè)主要零件，新型高度靈活的伺服控制機(jī)床用于電動(dòng)機(jī)部件定子和轉(zhuǎn)子的量產(chǎn)。特別是定子生產(chǎn)中，有多種將銅線圈入定子槽的制造工藝。GROB公司產(chǎn)品線包含了電動(dòng)機(jī)整個(gè)制造過程，從波繞技術(shù)到Hairpin線成型工藝再到扇繞技術(shù)，電動(dòng)機(jī)的核心過程是將銅線卷入定子的過程。轉(zhuǎn)子軸變化的工藝有感應(yīng)、淬火、硬加工及內(nèi)齒輪磨削等，目前汽車電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為整車廠投資的熱點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸制造系統(tǒng)如圖6所示。圖6

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸制造系統(tǒng)2）機(jī)械減速及傳動(dòng)裝置，機(jī)械減速及傳動(dòng)裝置涉及到同步襯套、齒輪和差速器等變化的生產(chǎn)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(dòng)化、數(shù)字化及擁有先進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)代化工廠正在規(guī)劃中。動(dòng)力電池組裝自動(dòng)化生產(chǎn)主要包括分配組工藝、自動(dòng)焊接工藝、半成品組裝工藝、測(cè)試工藝、PACK檢測(cè)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(cè)試→整包合蓋密封（涂膠/螺栓擰緊）→最終測(cè)試（線末檢測(cè)、電氣測(cè)試、絕緣性檢測(cè)、充電等）→密封測(cè)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(chǎn)中的應(yīng)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(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)對(duì)自動(dòng)化的要求，逐漸被廣泛應(yīng)用。AGV新能源電池包組裝PACK生產(chǎn)線的應(yīng)用，可提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的數(shù)字化、柔性化甚至智能化。AGV組成的生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)靈活多變的工藝及編排，很好地實(shí)現(xiàn)不同品種產(chǎn)品的生產(chǎn)，在產(chǎn)品變更工藝布局調(diào)整中，大幅降低改造成本和周期。這部分重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)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(yùn)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(diǎn)等，在保證安全的前提下，縮短運(yùn)輸設(shè)備在無工位區(qū)間內(nèi)的運(yùn)行時(shí)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(jié)。優(yōu)點(diǎn)是無需涂膠、工藝簡單；缺點(diǎn)是一段時(shí)間后密封圈容易老化，密封性能下降，將來優(yōu)化改進(jìn)，還需加些涂膠。②涂膠+FDS：先在上殼體由機(jī)器人涂敷一層密封膠水，再由機(jī)器人將上蓋放置在下殼體上，通過FDS工藝進(jìn)行合蓋。優(yōu)點(diǎn)是長期密封性好，缺點(diǎn)是自動(dòng)化精度要求高，拆卸困難，工藝較復(fù)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(zhuǎn)軟化待聯(lián)結(jié)的板材，并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待聯(lián)結(jié)板材，最終在板材與螺釘之間形成螺栓聯(lián)結(jié)（見圖8）。圖8鋁合金熱熔自攻螺紋鉚接1—旋轉(zhuǎn)加熱2—鉆孔3—擴(kuò)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(jī)廠合作，比如德國MAPAL、GUEHRING及WALTER，他們共同規(guī)劃工藝方案，設(shè)計(jì)用于電動(dòng)汽車加工的創(chuàng)新刀具。筆者與德國GUEHRING公