1.1.3 电动汽车发展现状

1.汽车电动化的3次浪潮

电动汽车的历史比燃油汽车悠久，在内燃机汽车诞生之前，美国发明家T.Davenport于1834年发明了世界上第一辆电动汽车，采用了不可充电电池，速度仅为6km/h；经过40多年的沉淀和发展，Gustave Trouve于1881年发明了由铅酸蓄电池供电的纯电动汽车，速度为15km/h，续驶里程为16km。随后的数十年是电动汽车和内燃机汽车相互竞争的时期。但是，随着内燃机技术逐渐成熟，电动汽车有限的续驶里程和较差的动力性能使它的竞争力下降。1905年，电动汽车逐渐淡出商业市场[8]。19世纪中后期至20世纪初期是汽车电动化的第1次浪潮，主要特征是采用不可充电电池或铅酸电池及直流电动机。较低的电池能量密度、较高的成本，以及较小的电机功率制约了该时期电动汽车的发展。

1947年，贝尔实验室发明了晶体管，引发了全球电学和电子学革命；1956年，贝尔实验室又发明了晶闸管，标志着电力电子技术的诞生。晶闸管凭借其优越的电气性能和控制性能，快速取代了水银整流器和旋转变流机组，其应用范围迅速扩大，实现了交流电机的变频供电和高效运行。1966年，通用汽车公司制造了由晶闸管变频器供电、由异步电机驱动的电动汽车Electronvan，掀起了汽车电动化的第2次浪潮。20世纪80年代，通用汽车公司和法国雪铁龙公司分别推出了标志性车型EV1和106 Electric[8]。在这个时期，电动汽车普遍采用交流电机，将镍镉、铅酸、镍氢等类型的电池作为储能装置，能量密度逐渐提高，平均能量密度达50W·h/kg。然而，在动力电池能量密度的限制下，该时期的纯电动汽车续驶里程很难超过200km，使其进一步发展受阻。

当认识到纯电动汽车不能在续驶里程和性能方面与内燃机汽车竞争时，人们对混合动力汽车产生了极大的兴趣。在美国，道奇品牌制造了Intrepid ESX-1、ESX-2和ESX-3等混合动力汽车；福特汽车公司研制了并联式混合动力汽车Prodigy，通用汽车公司研制了并联式混合动力汽车Precept，这两款汽车均满足了美国新一代汽车合作伙伴计划（PNGV）的80mile/gal燃油经济性目标，但未量产。法国的雷诺汽车公司研制了并联式混合动力汽车Next，燃油经济性达3.4L/100km；德国的大众汽车集团研制了串联式混合动力汽车Chico，其平均能耗为1.4L/100km燃油和13kW·h电能。最成功的混合动力汽车商品化案例出现在日本，丰田汽车公司推出了混合动力汽车Prius，本田汽车公司推出了混合动力汽车Insight，在全球范围内实现了大规模量产和销售，有效提高了燃油经济性，实现了混合动力汽车的商品化[8]。

21世纪，为了应对日益突出的石化能源危机和环境污染问题，随着锂离子电池的应用逐渐成熟，世界主要汽车生产国纷纷加快部署，将发展新能源汽车作为国家战略，加快推进技术研发和产业化，掀起了汽车电动化的第3次浪潮。2020年，全球电动汽车销量约为312.5万辆，市场份额达4.0%。其中，纯电动汽车的市场份额为2.8%，插电式混合动力汽车的市场份额为1.2%。锂离子电池的发展和应用如图1-6所示。

2.各国加速推进汽车电动化进程

经过20多年的技术积累和市场培育，全球新能源汽车产业进入快速发展期，各国从供需两侧发力，共同推进汽车电动化进程。

一方面，设定严格的节能减排目标，推动企业加速转型。2019年6月，日本公布新一轮乘用车新车油耗法规，要求到2030年降至3.94L/100km；2019年，欧盟正式通过新一轮碳排放法规，要求乘用车新车平均碳排放到2025年和2030年分别比2021年减少15%和37.5%[9]。另一方面，通过加大财税政策支持力度，引导消费者选购新能源汽车。2019年11月，德国宣布将新能源汽车补贴政策延期至2025年年底，并从2021年起提高新能源汽车单车补贴金额。美国、德国、英国、法国、挪威、荷兰、日本等国继续大幅减免新能源汽车购置及保有环节税收。同时，税收优惠并非短期阶段性实施，而是将节能减排指标作为计税依据，从而使新能源汽车可长期享受比传统燃油车更低的税额。

各大型车企也通过制定新能源汽车销售目标、加快新能源汽车研发等，加速实现汽车电动化。

比亚迪坚守电动化战略，除了积极布局新能源整车项目，还在动力电池、电机及控制器等核心零部件方面积累了全球领先的关键技术，在车用IGBT等方面也有涉足，是全球电动汽车制造商中技术布局全面、技术实力雄厚的车企之一。

大众汽车集团计划2025年在中国销售150万辆新能源汽车；戴姆勒计划2030年插电式混合动力汽车或纯电动汽车占新车销量的50%以上；宝马计划于2023年前推出25款新能源汽车，并在2025年实现40万～70万辆的新能源汽车销量目标；丰田汽车公司计划2025年在全球的电动汽车年销量达550万辆，其中纯电动汽车和燃料电池电动汽车超过100万辆。

2013—2020年全球新能源汽车销量及市场渗透率如图1-7所示。

3.中国新能源汽车迈入新阶段

在环境污染与能源危机等外部压力与汽车产业升级等内部刺激的共同作用下，中国政府、企业及相关科研机构将发展节能汽车与新能源汽车作为实现汽车产业转型的突破口。1991年，电动汽车研发首次列入“八五”重点科技攻关项目，国家科技计划持续重点支持该领域研发，做出了发展节能汽车与新能源汽车的初步尝试。

“九五”期间，中国在新能源汽车技术研发和产业化方面，呈现各有侧重、并行推进的格局。1996年发布了《中国节能技术政策大纲》，鼓励开发电动汽车；1999年，由中国科学技术部等十几个部委组成的全国清洁汽车协调小组召开了“空气净化工程，清洁汽车行动”工作会议，在污染严重或有资源优势的大中城市和地区重点推广清洁能源汽车[10]。受限于当时的技术条件和产业环境条件，推广工作的重点仍放在燃气汽车及燃油汽车的经济性提高方面。

“十五”期间，中国科学技术部提出了我国发展新能源汽车的实施方案，初步确立了以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车技术为重点，以多能源动力总成系统、驱动电机、动力电池3种关键技术为主要研究内容的研发框架，初步形成了以电动汽车为重点的研发布局。

“十一五”期间，随着《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》《中国应对气候变化国家方案》《高技术产业化“十一五”规划》及《节能减排综合性工作方案》等一系列重要文件的发布，国家对节能减排的要求日益提高，推动了节能汽车和新能源汽车的发展。2006年，“十一五”863计划节能与新能源汽车重大项目启动，在该项目的积极推动下，逐步确立了我国电动汽车“三纵三横”的研发布局，研发布局如图1-8所示。“十一五”期间，我国新能源汽车技术研发取得重大进展，基本掌握了电动汽车的核心技术，建立了具有自主知识产权的新能源汽车技术平台、形成了比较完善的关键零部件体系，部分企业相继推出具有自主知识产权的新能源汽车产品，具备了小批量生产能力和局部商业化示范运行能力。“十一五”后期，以磷酸铁锂为正极材料的动力电池技术获得了突破性进展，带动了纯电动汽车和插电式混合动力汽车的快速发展。在此背景下，我国逐渐确立了以电动汽车为重点的发展方向。2009年发布的《汽车产业调整和振兴规划》指出，在规划期（2009—2011年）内，改造现有生产能力，形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量的5%左右。

“十二五”期间，我国进一步明确了纯电动汽车发展方向。2012年，中国科学技术部印发《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》，指出要确立“纯电驱动”的技术转型战略、坚持“三纵三横”的研发布局。紧紧把握汽车动力系统电气化的战略转型方向，重点突破电池、电机、电控等关键核心技术，以及电动汽车整车关键技术和商业化瓶颈。发展途径具体可概括为3点：技术平台“一体化”，紧紧抓住“电池、电机、电控”三大共性关键技术，以关键零部件模块化为基础，推进动力总成模块化，促进动力系统平台化，实现电动汽车技术平台“一体化”；车型开发“两头挤”，在城市公共用大客车和私人小型轿车上优先发展“纯电驱动”电动汽车，然后逐步从两端向中间发展，形成“两头挤”格局，启动大规模市场，并滚动发展，逐步挤占中高档燃油轿车这一市场空间；产业化推进“三步走”，结合不同阶段的技术进步程度和市场需求状况，把握节奏，分步实施。

2012年，国务院印发《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》，指出以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平。主要目标之一是产业化取得重大进展。到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆，燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展。

2014年，国务院办公厅印发《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》，指导思想是贯彻落实发展新能源汽车的国家战略，以纯电驱动为新能源汽车发展的主要战略取向，重点发展纯电动汽车、插电式（含增程式）混合动力汽车和燃料电池汽车，以市场主导和政府扶持相结合，建立长期稳定的新能源汽车发展政策体系，创造良好发展环境，加快培育市场，促进新能源汽车产业健康快速发展。

“十三五”期间，面对全球智能化发展新趋势，国家重点研发计划新能源汽车重点专项提出了升级新能源汽车动力系统技术平台的目标。全面提升纯电动汽车电气化、轻量化、智能化、网联化水平。“三电”核心技术的内涵进一步丰富，“电池”更强调电池系统，“电机”更强调电力电子，“电控”更新为电动汽车智能化技术。同时，根据全创新链设计原则，将重点任务设置为基础科学问题、共性核心技术、动力系统技术、集成开发与示范四个层次。共十二个模块：三大科学基础问题（面向电动化的能源科学、面向轻量化的材料科学、面向智能化的信息科学）；“三横”共性核心技术（动力电池与电池管理、电机驱动与电力电子、电子控制与智能技术）；“三纵”动力系统技术（纯电动力系统、插电/增程式混合动力系统、燃料电池动力系统）；三大支撑平台（基础设施平台、集成示范平台、国际合作平台）。

2020年10月，国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》，指出坚持电动化、网联化、智能化发展方向，深入实施发展新能源汽车国家战略，以融合创新为重点，突破关键核心技术，提升产业基础能力，构建新型产业生态，完善基础设施体系，优化产业发展环境，推动我国新能源汽车产业高质量可持续发展，加快建设汽车强国。发展愿景是到2025年，我国新能源汽车市场竞争力明显增强，动力电池、驱动电机、车用操作系统等关键技术取得重大突破，安全水平全面提升。纯电动乘用车新车平均电耗降至12.0千瓦时/百公里，新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右，高度自动驾驶汽车实现限定区域和特定场景商业化应用，充换电服务便利性显著提高。

新能源汽车产业发展规划总体布局如图1-9所示。

纵观我国的新能源汽车产业发展政策，“电动化”始终是我国新能源汽车产业发展的重要导向，受动力电池功率密度和能量密度等的限制，在发展过程中出现了燃气汽车、混合动力汽车等补充性过渡方案。我国新能源汽车技术路线如图1-10所示。

经过多年努力，我国新能源汽车产业技术水平显著提升、产业体系日趋完善、企业竞争力大幅提高。2015年以来，我国新能源汽车产销量连续7年位居全球首位。2018年，我国新能源汽车销量迈入百万辆时代。截至2020年7月，我国累计推广新能源汽车超过450万辆，占全球市场的50%以上；累计建设各类充电桩130万个，已建和在建加氢站超过100座，成为全球新能源汽车最大市场[7]。2013—2020年我国新能源汽车销量及全球占比如图1-11所示。

在整车方面，国产纯电动轿车平均续驶里程从2016年的190km提升至2019年的360km，典型A级纯电动乘用车电耗降至11～13kW·h/100km；典型高性能B级纯电动汽车电耗为16～17kW·h/100km；典型纯电动客车电耗为3～3.45kW·h/(100km·t)，提前实现2020年整车电耗小于3.5kW·h/(100km·t) 的目标。插电式混合动力乘用车B状态燃料消耗量（不含电能转化的燃料消耗量）达4.3L/100km，与整体油耗水平相比，节油25.9%。燃料电池客车氢耗从8.5kg/100km降至7.0kg/100km[7]。

在动力电池方面，2019年，三元锂离子电池装机量为40.5GW·h，占比65.2%；磷酸铁锂离子电池装机量为20.2GW·h，占比32.5%。量产三元正极材料电池单体能量密度达275W·h/kg，系统能量密度达170W·h/kg，系统成本降至1元/(W·h)左右[7]。与传统磷酸铁锂电池相比，基于“刀片”结构的磷酸铁锂电池的体积能量密度提高了50%，成本降低了20%～30%。

在驱动电机及电力电子方面，2019年，我国量产驱动电机重量比功率达4.0kW/kg。多家企业推出了自主开发的车用IGBT 芯片、双面冷却IGBT 模块和高功率密度电机控制器，功率密度达16～20kW/L。相关企业还推出了SiC宽禁带电力电子半导体器件和基于SiC器件的高密度电机控制器[7]。

在充电网络方面，截至2019年12月，全国公共充电设施已覆盖404个城市，建成了“十纵十横”高速公路快充网络，充电设施规模达122万个，充电站规模达3.5万个，换电站超过300个，均位居全球第一。公共领域充电设施车桩互操作性测评的充电一次成功率高于98%，用户充电体验明显改善。充换电站的建成规模远远超过2020年1.2万个的目标。在充电技术方面，智能有序充电技术、大功率充电技术、换电技术得到不同程度的应用，无线充电技术、车网互动（V2G）等前瞻充电技术进入示范测试阶段[7]。

面向未来，文献[7]指出，我国汽车产业的总体发展目标是：中国汽车产业碳排放总量于2028年左右先于国家碳减排承诺提前达峰，到2035年，碳排放总量较峰值下降20%以上；新能源汽车逐渐成为主流产品，汽车产业基本实现电动化转型；中国方案智能网联汽车核心技术国际领先，产品大规模应用；关键核心技术自主化水平显著提升，形成协同高效、安全可控的产业链；建立汽车智慧出行体系，形成汽车、交通、能源、城市深度融合生态；技术创新体系基本成熟，具备引领全球的原始创新能力。我国汽车技术总体发展目标如图1-12所示。