盘点2021年自主品牌新能源技术

 

六七年前,国内第一波消费者刚刚开始接触新能源车,关注点只停留在靠不靠谱,能开多久的层面。而两三年后,政策开始向新能源车倾斜,新势力品牌如春笋般疯狂冒头,当然传统车企也不甘示弱。伴随着新能源车数量的猛增,骗补、虚标等一系列问题也开始显露。不过那时绝大多数人对车辆技术的重视度还都不高,注意力依然聚焦在续航和补能上。于此同时第一波电动车的续航开始出现严重缩水,安全可靠性问题的问题也逐步显露。也正是那个时间点,让厂商和消费者真正开始正视新能源技术对于行业长远发展的重要性。

如今新能源车市场已完成了对“坑蒙拐骗”的清理,存活下来的厂家有了自己的技术沉淀,行业的技术路线和发展趋势也都有了方向。回首即将结束的2021年,新技术不少,产品迭代也很多,但基本都是围绕解决续航焦虑,提升新能源车可靠性,落地未来技术三个方面展开,所以今天我们就来一起回顾下,过去一年各家新能源车企都在哪些方面做出了成绩。

首先让很多人拒绝电动车的原罪-续航焦虑。简单来说问题的根源口语化来说,无非就是电池容量小,充电速度慢,安全性是个问号等。针对这些问题,不同的厂家给出了不同的解决方案。

比亚迪

作为国内最早一波涉足新能源车的车企,比亚迪远没有大家想象的那么简单。因为造车只是它诸多业务部门中的一项,而像电池电控技术的研发、电子产品代工、巴士、云铁、重型机械的研发制造等等轻工重工都有它的身影。

而在今年比亚迪最惹眼的动作首先就是刀片电池开始大量装车,其实比亚迪的刀片电池在2020年3月底就已经发布,令其名声大噪的不是能量密度或续航里程的增加,而是电池圈令人望而生畏的“针刺试验”(暨动力电池热失控/安全性考验)。针刺试验会利用5mm直径的钢针刺穿电池组,检查电池组是否会发生自燃等情况,而刀片电池被刺穿后,电池温度一直维持在30-60度,无明火无浓烟无燃烧现象,证明了其安全性程度很高,对于日常使用来说也能带给消费者安全感和信任度。

而在技术层面,比亚迪的刀片电池采用磷酸铁锂材料做电芯,磷酸铁锂具有放热启动温度高、放热慢、产热少、材料在分解过程中不释放氧气、不易起火几大优势。此外刀片电池还具备冷媒直冷技术进行控温,通过高频放电进行加温,受环境温度影响更小。造型上单体形状呈长扁状,厚度不到2厘米,结构布局上采用矩阵排列刚度强度也具备优势。相比传统的三元锂电池来看,不仅结构和安全性都得到了加强,更高的体积利用率也一定程度上弥补了磷酸铁锂在能量密度方面的劣势。

再有就是产能供不应求,消费者喜闻乐见的DM-i混动系统。比亚迪的混动技术如今已经经历过三代,第一代DM双模系统通过双电机串并联的方式实现了半油半电的混动方式,有电的时候品质尚好,没电的时候相对鸡肋。第二代DM技术重点发挥电机的动力性能,以P3+P4的架构为基础,也就是电机分别放在变速箱后和前后轴上,通过信号协同的方式共同发力。虽然加强了纯电续航的表现,但在亏电情况下,行驶品质和燃油经济性表现依然不佳。第三代DM技术在第二代基础上增加了BSG电机,一定程度上优化了燃油经济性和静谧性,不过出发点仍是以动力性优先为主。而全新的第四代DM-i技术则将产品路线拆分成DM-P和DM-i,DM-P技术思路倾向三代技术,而DM-i则通过大电机+大电池的双电机串、并联连接方式实现了极佳的燃油经济性表现。

简单来说DM-i混动系统由拥有超高热效率的阿特金森循环发动机、发电机及驱动电机组成的EHS电混系统、刀片电池、直流交流车载充电器等部件组成。变速箱部分也被一套单速减速器所取代,不仅传动效率更高,平顺性表现也更像一台电动车。此外由于使用了比亚迪第四代IGBT技术,电控综合效率也达到了新高度,在充电环节可以实现2C甚至更高级别的快充。

 

长城

在多数人印象中长城汽车一直在发力传统燃油车,最出名的自然是哈弗H6、炮、魏派坦克300。毕竟拥有上百款配置的H6常年月销3W+,炮的出现颠覆了自主皮卡的认知,而一车难求的坦克300则成了保值加价神器。

不过在深耕燃油车的同时,长城并没有减慢在其他技术线路的研发步伐,此前大红大紫的氢柠平台、柠檬DHT混动等也都在今年一一落地。其中青柠平台可以视作在燃油和混动和纯电之外的另一条技术路线。虽然民用化概率不大,但商用化层面已有显露。我们都知道商用车是产碳大户同时也是能耗大户,而氢燃料从加工到使用整个环节涉及到“产碳”的过程很少。

而长城通过5年的研发落地,已经完善“研—制—储—运—加—应用”一体化供应链,实现了“电堆及组件、燃料电池发电及组件、Ⅳ型储氢瓶、高压储氢阀门、氢安全、液氢工艺”六大核心技术和产品的知识产权完全自主化,摆脱了被技术“卡脖子”的阶段。其中氢电平台(HE)、电堆平台(HS)和储氢平台(HP)是氢燃料车的主要构成,可以把它们视作燃油车的机波电。同样工作原理也类似于增程式电动车靠发动机发电储能或功能给电机的方式。而在整个环节中曾经最难实现的救赎部件就是膜电极,这是决定氢燃料电池发电机功率的直接因素,而且青柠平台的功率密度达到1.2W/cm2(国际主流水准1.04W/cm2);铂使用量Pt<0.3mg/cm2(国际主流Pt<0.4mg/cm2),保证了提高效率和降低成本双重功效。其综合性能水平甚至已经超越了业界标杆的丰田Mirai。

 

除了氢能源,长城在混动技术方面也开始发力,几年前魏派P8蹭涉足过插电混动领域,在有电状态下,车辆行驶品质极佳,但亏电情况下则会显露出技术上的劣势。而如今DHT混动开始在玛奇朵、拿铁等车型上适配。其实不论是丰田THS、比亚迪DM-i还是长城DHT,在技术思路上都有着共同点,均是希望结合燃油机最高效区间和电机的输出特性,从而实现最佳的燃效比。从技术层面来看长城DHT的结构并不复杂,由混动专用发动机(仅适用最高燃效转速)、发电机、驱动双电机、双速变速箱、双电机控制器和集成DCDC构成。驱动模式上支持EV、串联、并联三种,纯电模式和电车相同,串联模式由使用高燃效转速的发动机为电机发电,推动车辆,并联模式则由电机驱动的同时,发动机通过双速变速箱驱动车轮。从逻辑来说最费油的部分用电,最费电的时候用油,从而实现了能量的最大化利用。当然由于电机的加持和夸张速比,也让使用DHT动力的车辆有了极佳的平顺性和顺畅的动力体验。

除了氢能和混动两开花,纯电技术自然不能被落下,自从比亚迪的刀片电池火了之后,各家品牌也都把自己的电池技术搬了出来,而以前并不太被重视的针刺试验也成了标配。发布于年内的长城大禹电池以设计思路定名。电芯控制的优化思路同样来自于“大禹治水”的变堵为疏。为了不降低能量密度,长城使用了稳定性不太好的高镍三元811电池,但通过加入双层复合材料来进行电芯阻隔绝热,并在尾部增加灭火盒设计,防止电池内部热失控。为了保证设计的合理性,还通过搭建燃烧模型、热力学与流体力学拟合仿真、模拟仿真、冲击强度压力计算等方式进行了技术验证。如果热失控触发,BMS和云端系统还能识别电芯热失控,通过冷却系统快速控温,以保证绝对的电池安全。

在充电方面,不久前的广州车展上,长城旗下沙龙品牌的机甲龙车型发布会,也透露了未来将推出800V快充技术,其峰值电流高达600A,充电10分钟,就可实现CLTC续航401公里。虽然具体细节尚未公布,但通过数据不难发现,长城应该已经突破了高效充电原件的技术壁垒,而目前更多的制约因素还是来自于充电功率较低的基建设备。

 

广汽埃安

和比亚迪长城一样广汽埃安也在今年发布并装车了自己的新一代动力电池技术-弹匣电池。弹夹电池的电芯可以兼容磷酸铁锂也可以兼容三元锂。而它将电芯一个个放在安全舱内的结构布局像是弹匣,也得来了这样的名字。为了保证电芯与电芯间的安全,采用了航空级二氧化硅级耐高温纳米材料,因此它具有耐高温、绝热的特征,能起到阻燃、隔热的效果,配合冷却系统能很好地控制电池包内的工作温度。其实从结构来看和比亚迪有相似支持,而热失控的自救过程则与大禹电池有着异曲同工之妙。

当然弹匣电池的概念更多的是在解决安全问题,而增加续航表现的技术,广汽埃安也在近期放出了海绵硅负极里的解决思路,而利用该技术的广汽埃安LX plus将NEDC续航推到了1008公里,电池容量也达到了144kwh。在技术层面来看,石墨一直是电池储能的主要媒介,硅是石墨的10倍以上,而使用硅电极的锂离子电池的使用寿命比使用石墨电极的锂离子电池长约 30%。不过使用硅材料的电池在充电过程中内部压力更大,硅自身也会膨胀三倍,安全性一直是个问题。而海绵硅由于其孔状结构,能在一定程度上抑制这个问题,虽然会比普通硅电池表现稍弱,但仍要比石墨电池更好,所以加入该设计能将锂离子电池阳极的容量增加接近50%额外容量。

而在充电层面,广汽埃安则发布了令人期待的3C 6C超倍速快充技术。其中这个C称作“充电倍率”,是充电电流相对电芯额定容量的倍数,充电倍率越高充电时间越快。简而言之,能达到几C要看车的电池容量大小和支持的充电功率上限而决定。如果你的车用的是50kWh电池组,充电功率可以达到150kW的话就可以称之为3C,300kWh的话就可以称之为6C。当然超倍速快充除了需要车辆能承受更高的充电功率之外,对于充电桩也有硬件要求,而目前较常见的国网充电桩还普遍停留在40-60kW水平。所以广汽推出了A480充电桩。480也就是480kW 的峰值充电功率,其最大电流可达600A最大电压可达1000V,设计性能也是存有一定冗余量的。当然大功率充电随之而来的问题是过热,为了保证安全,埃安的A480电桩还使用了轻量化液冷线缆来保证安全的工作温度。另外充电层面并不是一直以最大功率进行,也要根据车辆电池系统自身的容量,温度实时改变功率,基本上在充满8成电以前都能维持在450千瓦以上,最常用的30%-80%电量区间,基本只需要4-5分钟,充电效率相当高。

 

蔚来

蔚来的这一年一直在进行双线发展,一边大力推进全国各地二代换电站的铺建工作,一边将研发重心放在电池方面。不过不同于前面三家企业,由于蔚来的品牌核心在于营造更好的用车体验,所以电池方面主要变化在于电芯组的结构搭配和整体容量上。在今年9月底发布三元铁锂电池组之前,蔚来主推的70千瓦时和100千瓦时电池均为三元锂电池组,而全新的75千瓦时三元铁锂电池组则打破了这一组合方式。从电池本身来看,通过将三元锂和磷酸铁锂混合封包的形式进行交叉排列,形成了混合电池包。整个电池组的外部大小与此前70千瓦时三元锂电池组没有差异,但整体容量上升了5千瓦时,新电池体积利用率提升5%,能量密度也提升了14%,达到142Wh/kg。在整体续航提升30公里之余,还可利用不同电芯温度差异、电池包内新增PTC加热元件、内部整合DCDC等新结构,实现低温续航损失降低25%,SOC的估算更为精准。

另外在固态电池方面也将有所突破,明年即将上市的蔚来首款纯电轿车上,将会搭载一块150kwh固态电池,能量密度高达360kWh/kg令续航突破1000公里。不过这个固态其实是蔚来方面的叫法,因为真正的全固态电池目前还没有具体的量产适配,同时可靠性安全性等方面也都在验证阶段,并不具备大批量量产的能力。蔚来的150kwh固态电池,只是从传统锂电池到全固态电池之前的一个过渡,严格来讲是由固态电解质和电解液混合组成,结构中还保留了传统锂电池的隔膜等部分,所以用“半固态”电池命名其实更为贴切。

 

小鹏

小鹏在电池层面并没有什么实质上的技术突破,主要依靠供应商提供磷酸铁锂及三元锂电池组。不过在快充技术上,确实有所突破。在不久前的广州车展上,小鹏G9发布的同时也公布了800V碳化硅快充技术,其实碳化硅SiC的应用范围非常广泛,不仅能为电机提升效率,在充电环节也是提升功率的关键。在小鹏G9上,充放电电器元件的设计都是按照800V级别进行研发的,理论峰值是可达800V的,而在进行超充的环节最大电流可以支持600A以上,为此,小鹏在技术上降低了各个环节中高压连接的电阻,并加入了阻断的保护系统,以防万一。同时和广汽埃安一样,也针对充电桩进行了升级改进,为充电线缆充电枪增加了液冷系统。不过目前小鹏的超充技术尚处于技术验证阶段,还未正式上车,相关的配套充电基建也还在开展初期,可靠与否最快也要到明年才能知晓。

 

宁德时代

说到电池专业户宁德时代,今年最绕不开的技术就是钠离子电池了。之所以会研发钠离子电池一方面是未来技术和更高能量密度的需要,一方面也是为了不再受制于人。现阶段的电池组在组成原料上需要大量一类锂,钴,锰等稀有金属,而我国并不是主要产地,不仅原料价波动大,技术瓶颈来得也快。而钠离子电车则不同,不仅从技术和原料上跳出瓶颈,作为储能的技术路线,更安全、成本也更低。而且钠离子电池的优势很多,相比现阶段的两大类电池来看,钠离子电池的电芯单体能量密度可以轻松达到160Wh/kg,而且稳定性也很高。在常温下充电15分钟,电量可达80%。而在零下20°C低温的环境下,仍然有90%以上的放电保持率。未来量产版的钠离子电池还会将能量密度进一步提升到200Wh/kg以上,并且在2022年就能实现量产,顺利的话2023年就会批量适配在多种新车上。

 

除了电池系统的升级和安全问题更受重视外,电机电池控制系统的可靠性也成了目前技术升级的关键。各大自主品牌的电机和BMS技术在不断升级,曾经电驱系统中的电机、电控、减速器受限于油改电或空间等因素,更多是独立布局。而近几年各家都在研发纯电平台,从结构布局来说更适合高度化整合电器系统,随之而来的也是越来越多的三合一,四合一乃至八合一超高度整合的电驱系统。

 

理想ONE/广汽埃安LX

在今年推出的2021款理想ONE上就是用了最新的三合一电驱,这项技术不仅让理想ONE的后桥空间更加紧凑,重量也有所变化,腾出更多的空间让给了油箱部分,令该车的续航表现得到直观提升。当然如今使用类似三电合一技术进行高度整合的车企并不少,模块化的构成不仅空间利用更好,在电机转速、电能转化效率、机械空间紧凑化、线束精简化等方面都起到了很大的作用。

例如广汽埃安V的“四合一”集成电驱也是采用的相同逻辑,通过将双电机、控制器和两挡减速器高度整合,实现了340kW的输出功率,综合驱动效率达到90%,功率提升13%,体积减小30%,重量减轻25%。而首款应用该技术的车型也在今年开始销售。

 

比亚迪海豚

当然走在高度整合最前沿的比亚迪“八合一”不得不谈。今年上市的比亚迪海豚首次装配了八合一电驱,相比传统的电机电控减速器,它还融合了车载充电器、直流变换器、配电箱、整车控制器、电池管理器等部件,也就是在传统三合一电驱的基础上,更深度的整合,实现软、硬件端的深度融合。这样的高度整合降低了电驱系统总体积16%,总重量10%,意味着可适配的车型更广,能耗更低。

 

蔚来ET7

前面提到蔚来的固态电池,不得不再聊一下使用固态电池的蔚来ET7的另一黑科技,碳化硅超导电驱系统。这套系统是蔚来的第二代电驱系统,以“碳化硅SiC”为核心。这种宽禁带半导体材料,具有开关速度快,关断电压高和耐高温能力强等优点。而碳化硅SiC主要应用在180kW的永磁同步电机主驱上,它具备了更高效率、更高性能、更安静的三大特征。由于碳化硅功率器件能大幅提高永磁同步电机驱动系统的效率及功率密度,也使电控系统的综合损耗降低4%~6%,CLTC工况效率大于91.5%,一定程度改善了ET7的城市工况功耗表现。当然除了碳化硅原件的应用外,通过优化电磁电机方案、改变减速器速比、精准预估模块寿命也另ET7的性能得到大幅提升。同时电机内部优化,齿轮优化和噪声优化也令二代电机组的NVH表现得到全面提升,相比上代电驱的噪音降低了5-15dB。

 

除了电池电机充电等方面的技术升级外,在未来技术的接轨上也有不少品牌在做着积极地研发,当然这里面除了传统车企新势力造车外,还有一些夸行业的入局者。而涉及的技术主要以辅助驾驶、自动驾驶商用化、智能座舱技术等为主。

 

威马AVP自主泊车

现阶段能实现自动跟车的辅助驾驶车型非常多,但能实现完全自主泊车的车型还不算多,这其中威马W6的AVP系统就很有看点。可以通过学习上车点、下车点和泊入泊出的指定车位后,实现百米内的完全自主泊车过程整个过程完全无需驾驶者,规避道路风险等也完全可以通过车辆自行处理,可以说解决了很多人的停车难问题。这套AVP系统通过2个高清摄像头、4换个环视影像、5个毫米波雷达及12个超声波雷达协力实现,而进行数据统筹操作的则是来自高通的8155芯片和平台的算力。这款芯片的算力能够达到360万次/秒,性能强大。其实像奔驰S级PAVP泊车系统、宝马3系的150米原路径倒车都有着相似的技术路线。不过威马的AVP系统显然在成熟度和安全性上更胜一层。

 

小鹏XPILOT4.0

前面我们曾提到过小鹏的G9,其实在G9发布的同时也提到了小鹏XPILOT4.0的更多技术细节。简单来说,小鹏XPILOT2.5是具备多种驾驶辅助功能的系统,XPILOT 3.0和3.5则是从高速NGP场景到城市NGP场景的发展过程,简单来说就是可以依靠视觉、高精地图和多种雷达完成路口车道的自动变线和导航辅助。而XPILOT 4.0的全场景智能辅助驾驶,则更进一步把全场景融合,令智能驾驶的过程实现无缝衔接。硬件则换装新款激光雷达和两颗Orin-X自动驾驶芯片,算力提升到508 TOPS。双目摄像头升级为800万像素,车身增加290万像素的感知摄像头。通过硬件的冗余量和算法及高精地图的不间断优化,实现出更高阶的辅助驾驶能力。如果XPILOT4.0的软硬件能尽快开放,那么它将拥有比特斯拉FSD更强大的辅助驾驶功能。

 

百度阿波罗无人驾驶

不同于各大造车企业的辅助驾驶,百度的阿波罗无人驾驶技术,更早一步的投入了路试,并且已经在多地的特定区域内进行了成完成千万公里的路试,测试车和技术也进行了五代更新。目前百度已经与极狐、威马等企业进行了深度合作,并推出了各种定制版Apollo Moon量产共享无人车,最关键的是它们还是可投入规模化运营的无人驾驶车型。以极狐αT为载体的百度Apollo第五代无人驾驶车辆为例,该车造价48万,除原有车身原件外还增加了多套激光雷达、视觉摄像头和更强大的算力平台,通过过剩的硬件冗余量来保证产品的安全和可靠性。同时车外的多组传感器还配备自检和自清洁功能,在特殊环境气候下也能保障系统的正常运转。如果核心元件失效,检测系统会及时对相应元器件进行降级处理策略。同时在功能上还支持5G云代驾、V2X等功能。百度官方表示,该车型至少可以稳定运营5年(约合2万小时)以上,均摊下来的硬件成本,每月只需8000元左右。

 

华为鸿蒙智能座舱

作为跨界者的华为,拿出了HarmonyOS智能座舱系统。面向AI时代,结合智能汽车独有特性,打造了智能座舱车域系统。该系统以驾驶安全为基础原则,将智能化的服务和HMS-A丰富能力及HarmonyOS车域应用生态带入座舱,为广泛的开发者带来更便利的开发环境以及更大的价值机会,给用户带来多样化的智能座舱体验,打造“人-车-家”全场景的无缝互联体验。技术层面上智能座舱涵盖了智慧车机、车机硬件、车机系统、车机应用软件生态、车机商城、AR-HUD、音响等等环节,几乎将座舱内我们的乘坐、使用甚至是消费都考虑到了。当然华为的野心不止于此,装备华为HarmonyOS智能座舱系统的第一款目前已经在最后的验证阶段,将会在2021年初面世,而且它是华为主导,由金康塞力斯负责投产的全新中型SUV。同时华为HarmonyOS智能座舱系统接下来还会根据不同品牌不同车型提供深度定制,以保证UI的独立性和不同品牌的产品特征。

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