第一情报 ---汽车产业

美国《电动汽车普及大挑战蓝图》

供稿人:董瑞青  供稿时间:2013-7-4   关键字:美国  电动汽车  普及  蓝图  
2013年1月31日,美国能源部能源效率与可再生能源办公室(EERE)发布《电动汽车普及大挑战蓝图》(EV Everywhere Grand Challenge Blueprint)(简称“电动汽车普及蓝图”),力图在未来10年内,使美国成为世界上第一个能够生产每户家庭都能负担得起的插电式电动汽车的国家。为全面了解美国电动汽车普及发展战略,笔者对美国“电动汽车普及蓝图”进行了全文翻译和整理,以求为推动我国电动汽车产业发展提供有效的政策借鉴。
一、基本背景
2012年3月,美国总统奥巴马宣布“电动汽车普及大挑战——到2022年生产每户美国家庭都能负担得起的插电式电动汽车(Plug-in Electric Vehicles,简称PEVs)”。今天,这个计划正在有条不紊地进行。美国是世界上领先的电动汽车市场,并生产一些当今最先进的插电式电动汽车。当前,美国消费者购买插电式电动汽车的兴趣正逐步增长,2012年美国已售出超过5万辆插电式电动汽车,其中雪佛兰沃蓝达(Volt)电动汽车在第二次消费者满意度调查中击败其他所有的车型,位居榜首。插电式电动汽车(PEVs)已经赢得了众多好评和奖项,如2011年世界年度汽车(日产Leaf),2013年《Motor Trend》年度汽车(特斯拉Model S),2012年绿色汽车视角奖(福特C-MAX)等。为保持这一领导位置,美国插电式电动汽车产业仍需要继续保持强劲增长。实现上述奥巴马总统对电动汽车的承诺,是这个时代的重大挑战之一。今天,我们的运输系统仍然依赖内燃机和石油。事实上,我们的运输燃料93%以上的来自于石油,并主要依靠进口。插电式电动汽车(PEVs)的发展可以使得我们脱离石油,减少污染,并帮助建立一个引领世界的美国汽车产业。值得注意的是,本文中所提及的插电式电动汽车(PEVs)是一种具备插入式充电功能(Plug-in Capability)的汽车,既包括纯电动汽车(AEV),也包括插电式混合动力汽车(PHEV(见表1)。
 
 
表1  “蓝图”中所涉及的各类汽车基本内涵
中文名称
英文名称
技术特征
纯电动汽车
All-Electric Vehicle,简称AEV。
是一种具备插入式充电功能的汽车,其驱动能源全部来自于它的电池。
插电式混合动力电动汽车
Plug-in Hybrid-Electric Vehicles,简称PHEV。
是一种具备插入式充电功能的汽车,其驱动能源可以来自于电池或液体燃料。
插电式电动汽车
Plug-in Electric Vehicles,简称PEVs。
是一种具备插入式充电功能的汽车。它既包括纯电动汽车(AEV),也包括插电式混合动力汽车(PHEV)。
混合动力电动汽车
Hybrid-Electric Vehicles,简称HEVs。
是一种不具备插入式充电功能的汽车,但该车具有电驱动系统和电池,其驱动能量只能来自于液体燃料。
内燃机汽车
Internal Combustion Engine Vehicle,简称ICEV。
是一种不具备插入式充电功能,也不含有电驱动系统和电池的传统汽车,其驱动能量只能来自于液体燃料。
资料来源:EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》.
 
《电动汽车普及大挑战蓝图》展示了未来五年内美国能源部(DOE)发展电动汽车的技术和部署目标。为实现这些目标,美国能源部将与公共和私营合作伙伴进行紧密合作。美国能源部电动汽车计划的技术目标主要集中在四个方面:电池的研发投入;电驱动系统的研发投入;车辆的轻量化;气候控制技术。一些具体的目标如下:削减电池的成本,从目前的500美元/KWh下降到125美元/KWh;通过轻量化技术或材料,使车身重量减轻约30%;降低电驱动系统成本,从目前的30美元/KW下降到8美元/KW。当然,上述目标需要全行业所有利益相关者的共同努力才能实现。这其中,包括2012年夏天和秋天召开的“电动汽车普及研讨会”(EV Everywhere Workshops)。当这些目标得以实现,单次充电行驶280英里的纯电动汽车(All-Electric Vehicle,简称AEV)将与类似的内燃机汽车(Internal Combustion Engine Vehicle,简称ICEV)平均成本相当。即使在实现上述雄心勃勃的目标之前,大多数具有较短行驶里程(如单次充电行驶100英里)的插电式电动汽车(PEVs)和纯电动汽车(AEV)的平均成本与类似大小的内燃机汽车相当。尽管目前还没有证据表明,平均成本对大多数消费者车辆购置决策起着重要作用,但有很大的证据表明,车辆的初始购买价格起着重要的作用。实现上述目标将有助于减少消费者购买插电式电动汽车(PEVs)的价格。鉴于消费者偏好的不确定性和电动汽车制造商计划,美国能源部在该计划中选择上述技术目标。
当前,美国电力驱动汽车市场快速增长。如图1所示,插电式电动汽车(PEVs)初始销售阶段为2010年12月至2012年11月,而混合动力电动汽车(HEVs)的初始销售阶段为1999年12月至2001年11月,时间跨度均为24个月。从初始销售阶段(24个月)月度及累计销售状况看,插电式电动汽车(PEVs)销售数量增长速度远超混合动力电动汽车(Hybrid-Electric Vehicles,简称HEVs)。
 
          图1  PEVs与HEVs初始销售阶段(24个月的时间跨度)销售数量对比(单位:辆)
         资料来源:EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》.
 
电动汽车具备节省燃料成本、充电方便、操作简单、即时扭矩、响应速度快、维护成本低等诸多优点,使美国个人消费者受益。然而,很多司机和车辆购买者并不清楚插电式电动汽车(PEVs)的优点。如果上述优点被广大消费者所认知,美国电动汽车产业将得到快速发展。当电池电量用尽的时候,电动汽车去哪儿充电呢?这是美国消费者普遍担心的一个问题。基于此,本“蓝图”还进一步探讨了电动汽车充电基础设施建设以及消费者教育,努力促进家庭、工作场所等的充电基础设施建设,加速插电式电动汽车(PEVs)布局。诚然,实现美国电动汽车大普及,我们必须立足于技术驱动、充电基础设施建设及市场拉动(对购买者提供奖励)等方面(见图2)。
 
                            图2  实现美国电动汽车普及的三大关键要素
                            资料来源:EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》.
 
当前,在燃油汽车长期掌控的世界,插电式电动汽车(PEVs)已经建立了立足点。伴随着技术进步和生产规模扩大,插电式电动汽车的电池和电驱动系统将变得更便宜,并具备更好的性能表现。美国能源部的目标是与私营企业、州政府、非政府组织和学术界一起合作,加速发展插电式电动汽车。
二、2022年发展目标
(一)消费者拥有成本降低
 
插电式电动汽车(PEVs)性能和成本的显著改善需要全美国最具创新性的研究人员和企业的共同努力。实现美国电动汽车普及的技术性能和成本目标将需要把电池和电驱动系统的成本降低50%以上。在几个平台技术领域(如电池,电机,电力电子,轻质材料和车辆结构,快速充电技术等),美国“电动汽车普及蓝图”将专注于电动汽车削减成本和性能改进。如图3所示,目前各类汽车消费者的拥有成本(Cost Of Ownership)仍以传统内燃机汽车为最低,约为3.9万美元,而插电式混合动力汽车、插电式电动汽车(单次充电行驶里程100英里)、插电式电动汽车(单次充电行驶里程300英里)等的拥有成本约为4.6万美元、4万美元、8.1万美元。预计到2022年,插电式电动汽车(单次充电行驶里程100英里)的拥有成本将逐步降至2.7万美元,在各类汽车中成本最低,而传统内燃机汽车、插电式混合动力汽车、插电式电动汽车(单次充电行驶里程300英里)等的拥有成本约为3.5万美元、3.4万美元、3.7万美元。
 
                图3  2012年各类汽车消费者拥有成本及2022年成本削减目标(单位:美元)
                注:消费者各类汽车的拥有成本主要指车辆的购置成本加上5年的燃料成本
                资料来源:EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》.
 
(二)关键技术领域成本降低及性能提升
 
总体来看,美国《电动汽车普及大挑战蓝图》中有关电动汽车关键技术领域成本降低及性能提升目标为:到2022年,美国插电式电动汽车的电池成本从2012年的500美元/kWh降低到125美元/kWh,其中质量能量密度为250Wh/kg,体积能量密度为400Wh/L,功率密度为2KW/kg;电驱动系统成本从2012年的30美元/KW降低到8美元/KW,其中比功率为1.4KW/kg,升功率为4KW/L,能量效率为94%;整车重量减轻约30%,包括车身、底盘、内饰、电驱动组件等重量均降低(见图4)。为进一步分析和阐述美国电动汽车关键技术领域成本降低及性能提升目标,我们对电池、电驱动系统、汽车轻量化等三个细分领域做了详细分析。
 
                      图4  2022年美国插电式电动汽车关键技术领域性能提升及成本降低目标
                      资料来源:EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》.
 
1.电池成本降低及性能提升目标
从电池来看,目前电动汽车电池技术离其理论能量密度限制还有很大差距。在短期内(2012-2017年),伴随着锂离子电池技术的进步,通过使用新的高容量正极材料、高压电介质,并使用高容量的硅或锡的金属间合金来代替石墨阳极,可以使电池的能量密度由目前的100Wh/kg提高到250Wh/kg。在较长时期内(2017-2027年),锂——硫、镁离子、锌空气(Zinc-Air)、锂空气等类型的“超越锂离子”(Beyond Li-ion)电池,将提供明显大于当前锂离子电池的能量密度,并大大降低了电池成本(见图5)。然而,上述“超越锂离子”电池仍然在循环寿命、功率密度、能源效率等关键性能参数上存在诸多“短板”。这些新电池技术的创新突破将需要插电式电动汽车(PEVs)市场的不断壮大。如上所述,电池能量密度的提高将是实现美国电动汽车普及成本和性能目标的关键所在。额外的研发努力,包括包装设计的优化和简化,电池及电池组制造水平的提升,材料生产成本的降低,以及新型热管理技术的改进也将有助于降低电池成本。此外,要实现2022年的电池功率密度目标(2KW/kg),重要的一点是必须确保技术突破能适应广泛范围内插电式电动汽车硬件架构放电功率(Discharge Power)的要求,以使电池可以快速充电。快速充电是消费者关注插电式电动汽车的一个重要方面。
 
为实现电动汽车电池性能及成本目标,美国电动汽车普及蓝图中的R&D投资组合应均衡,初步考虑有发展前景的锂离子电池及“超越”锂离子电池的投资比重分别为80%、20%。此外,还应发展电池材料(正极,负极,电解质,分离器等)的低成本生产过程,因为这些在电池成本中占有较大比重。
 
                        图5  2022年美国插电式电动汽车电池性能提升及成本降低目标
                        资料来源:EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》.
 
2.电驱动系统成本降低及性能提升目标
电驱动系统的研发需要加快发展先进的电力电子和电机,从而使得插电式电动汽车(PEVs)有更高的市场渗透率。以提高燃油效率、降低成本为重点的先进电力电子、电机及牵引驱动系统技术,将超越当前路线技术,是满足美国电动汽车普及目标的关键所在。实现美国电动汽车普及的目标,需要在永磁材料、稀土磁铁、先进电容、具备良好热性能和电气性能的封装技术、宽禁带(WBG)半导体和电机叠片等技术领域加大研发力度。一般而言,美国电动汽车电驱动系统的技术指标应着重于开发超越硅器件的电力电子,并专注于碳化硅及宽能隙材料;电机的发展应着眼于减少或消除稀土材料。实现美国电动汽车普及在电驱动系统的性能指标所采取的R&D战略包括以下几个方面。
 
Ø  电机:开发设计新的低成本和高效电机,稀土含量少的替代磁性材料,以及改进电机的制造方法。从长期看,研发重点将集中在非稀土电机架构,这将为原始设备制造商及其供应商降低电机成本,并缓解稀土市场的不确定性。
 
Ø  电力电子:开发经济适用的宽禁带(WBG)半导体设备,高温度电容,先进封装,高电压操作,以及新的电路拓扑结构。随着制造工艺的改善,宽禁带半导体的设计技术也不断改进,这能够提高设备的产量和性能。此外,该研究还包括热管理技术的提升,如低成本传热技术,热应力和可靠性,以及热系统集成。
 
Ø  牵引驱动系统:开发集成电力电子和电机技术,牵引传动控制策略,创新的集成系统设计和热管理。
 
Ø  车载充电器:降低车载充电器的成本,克服封装和热限制。
 
通过突破上述关键技术领域,到2022年,美国插电式电动汽车的成本由2012年的30美元/千瓦降低到8美元/千瓦,下降了73%;比功率由2012年的1.1千瓦/千克升高到1.4千瓦/千克;升功率由2012年的2.6千瓦/千克升高到4.0千瓦/千克;系统效率由2012年的90%提高到94%(见图6)。
 
                  图6  2022年美国插电式电动汽车电驱动系统性能提升及成本降低目标
                  资料来源:EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》.
 
3.车辆轻量化目标
插电式电动汽车重量的减轻将有助于增加其行驶里程,降低电池的尺寸和成本。因此,为了享受车辆轻量化的上述好处,轻质金属和复合材料必定是一个具有吸引力的选择,因为这同时满足成本和结构要求。车辆结构的机械行为、碰撞响应及耐久性所涉及的相关材料属性必须有进一步提升。此外,材料特性的预测技术必须结合设计方法,使成本降低,如通过使输入材料数量减至最低或减少周期时间。这些目标的重点是通过电池、电驱动系统及轻质金属和复合材料的使用,使得插电式电动汽车整车重量减少近30%。具体来看,到2022年,美国插电式电动汽车的车身重量减轻约35%,内饰重量减轻约5%,底盘/悬挂系统重量减轻约25%(见图7)。为了实现这些减轻重量的目标,轻质材料必须在提高机械特性、较低的成本、便于制造、提供多结构具有成本效益的连接和防腐蚀保护解决方案、轻量设计的安全有效并支持设计工具便于快速开发新材料等方面做出诸多努力。轻质材料系统主要包括碳纤维复合材料,镁合金,先进高强度钢,铝合金等方面。此外,这些材料具有成本效益的连接组合方式也是极为重要的。
 
                          图7  2022年美国插电式电动汽车关键部分轻量化目标
                         资料来源:EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》.
 
(三)高效的气候控制技术
 
在插电式电动汽车(PEVs),高效气候控制技术(Efficient Climate Control Technologies)可以使用更少的能源而使得乘客舒适并能除霜、除雾,从而允许使用更小、更便宜的电池,继而能有效降低插电式电动汽车成本。美国“电动汽车普及蓝图”将集中在以下几方面具体的研究领域。
 
Ø  能源负荷减少和能源管理策略:供暖、通风和空调(HVAC)系统是插电式电动汽车系统必须解决的问题,以确保乘客的舒适性。通过能源负荷减少和先进的能源管理策略,可以最大限度地减少能源消耗,降低系统的热负荷。先进的窗户和玻璃,表面涂料,先进的保温,减少热质量,通风和座椅技术可以更好地控制客舱和环境之间的传热,减少热负荷。
 
Ø  高级供暖、通风和空调(HVAC)设备:如先进的热泵或新颖的加热/冷却子系统,可以减少辅助载荷。创新的加热和冷却概念来实现乘客的舒适性,如红外线和热电装置和相变材料[①],也可以减少能源需求。
 
Ø  车舱预调节(Cabin Pre-Conditioning)系统:当插电式电动汽车连接到电网时,通过使用车舱预调节系统,可以减少车辆初始操作时电池能量消耗,从而可以降低(在温度高条件下)或提高(在寒冷的条件下)车舱内温度。车舱预调节系统应用的另一种方式是利用汽车充电过程中的电池或充电电路内产生的废热。
 
(四)完善的充电基础设施
 
当前,美国的工作场所和公共停车场才刚刚开始提供接入充电器。为完善充电基础设施,美国能源部将召集不同的利益相关者,包括公用事业部门,充电设备提供商,及地方政府,以确保电网的平稳运行和可靠性(见图8)。广泛的插电式电动汽车充电基础设施将有助于在未来几年内快速推进电动汽车的规模化(这尤其对纯电动汽车重要,因为其必须依靠充电基础设施加油,不像插电式混合动力电动汽车那样)。从未来发展趋势看,无线充电设施和快速充电设施可以提高消费者对插电式电动汽车的接受程度,并为电动汽车技术发展提供了一个创新机会。因此,这也是美国电动汽车普及蓝图发展的重点之一。
 
Ø  充电基础设施的选址:从现有充电站和充电事件的相关数据分析入手,指导和帮助新的充电基础设施选址,以确保公共充电站位置方便于大多数消费者。虽然不同车辆对基础设施的要求会有所不同,当地决策者还必须根据车辆部署、区域特征和交通模式等方面确定充电基础设施相对的最佳位置。美国能源部正在收集现有充电基础设施数据来帮助指导今后的基础设施选址,并支持社区选址规划工作。
 
Ø  充电规范与标准发展:解决插电式电动汽车和充电基础设施之间接口的一套全面的规范和标准,是必不可少的。这些主要包括物理接口,潮流(Power Flow)[②],通信,测试程序,以及安装/审批过程等。尽管有些标准已经存在,但需要进一步发展,以解决当前的直流快速充电问题,确保消费者安全、无缝地使用充电基础设施。美国能源部将继续支持全宽度一致标准活动。
 
Ø  PEVs充电站许可:插电式电动汽车充电站建设许可在美国各地区之间是不同的。与许可证相关的成本和延误仍然是美国插电式电动汽车充电站部署的一个重要障碍。发展高效的许可和检查程序,会降低电动汽车充电站安装的时间和成本。美国能源部的“清洁城市计划”将继续扩大资源,援助充电站建设。目前,可利用的资源包括一个许可证模板和住宅充电站安装视频。
 
Ø  PEVs充电站标牌:一致和丰富的充电站基础设施标牌将不仅帮助引导消费者到公共充电站,也有助于吸引潜在的插电式电动汽车购买者。
 
Ø  电网集成:有效的电网集成将可以有效调度插电式电动汽车,并允许消费者进行最有效的充电。通过车辆到电网(V2G)技术,它也将为双向功率流打下坚实的基础,从而使电动汽车可能成为电网的一类资产。此外,一个成熟的插电式电动汽车市场可能是分布式发电的重要推动者,如风电和太阳能光伏系统等。控制插电式电动汽车充电,通过有利的电价,与可再生能源发电一并为消费者和公用事业提供价值。美国能源部将主要通过U.S.DRIVE(是美国能源部的一个政府——产业界伙伴关系组织)解决与汽车相关的电网集成。
 
                          图8  发展充电基础设施所需要的利益相关者
                         资料来源:EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》.
 
 
                              图9  美国各级别插电式电动汽车充电站及技术表征
                             资料来源:EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》.
 
(五)完备的教育及政策支持
 
除了研发以克服插电式电动汽车发展的技术障碍外,消费者教育和宣传,创新插电式电动汽车所有权激励,政府和私人增加电动汽车购买量,将有助于扩大插电式电动汽车(PEVs)市场,实现美国电动汽车普及目标。插电式电动汽车可以为驾驶者提供很多好处,包括方便的家庭充电、安静的驱动系统、耐用性和即时扭矩等。为消费者提供试驾插电式电动汽车的机会,了解上述好处并分享他们的经验,将有助于培育发展插电式电动汽车市场。
 
美国联邦政府和各州的插电式电动汽车(PEVs)税收抵免政策可以增加国内的制造能力并推动PEVs市场的渗透,同时促进美国汽车产业更加不依赖石油。目前,美国纳税人购买插电式电动汽车(PEVs)将收到联邦政府2500美元-7500美元的税收抵免。政策机制,如联邦政府的税收抵免转移到电动汽车销售点,可以减少消费者购买插电式电动汽车(PEVs)的屏障。除了金钱奖励,非金融等优惠政策,如HOV车道[③]的获取或电动汽车的停车优惠等,我们必须努力探索,以推动消费者购买插电式电动汽车(PEVs)。
 
实现美国电动汽车普及蓝图需要许多利益相关者的合作。城市和州有能力在自身管辖区域促进插电式电动汽车(PEVs)部署;研究性实验室将是创新电池技术的先驱;汽车制造商将运用其专业知识将运用这些新技术,生产低成本、规模化的插电式电动汽车(PEVs)产品。
 
参考资料:
EERE《EV Everywhere Grand Challenge Blueprint》,2013年1月31日。


[①] 相变材料(PCM)是指随着温度变化而改变物理性质并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程,这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。目前,相变材料主要应用于航天、建筑材料、服装、制冷设备、军事、通讯电力等领域。目前,中国第一个相变材料生产基地位于天津宝坻,由中瑞森新能源科技公司设计生产。
[②] 潮流,在电气工程中,潮流指电力系统中各节点电压、各支路有功功率、无功功率的分布。
[③] HOV车道,即大容量车辆车道,是美国、加拿大等国家为提高道路使用效率、缓解交通拥堵、促进交通节能减排而采用的交通管理措施。在这种车道上只能行驶公共汽车或“拼车族”的车或供乘坐两人以上的车辆使用,坐多名乘客的车辆可以免费通过收费桥梁或道路等。美国交通部联邦公路局规定下列车辆可以使用HOV车道:公共汽车;车辆承载不少于一定人数的合乘车辆;8座或8座以上客车(不限人数);经向当地交通管理部门申请、审批,获得许可,在车体上张贴有HOV标志的车辆;经申请、批准,在车体上张贴有HOV标志的新能源汽车等。

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