扒一扒让汽车更轻、更快、更智能的 7 大「颠覆性」技术

人们总在想象和憧憬:未来的汽车,将会进化成什么样子?

如果有一个标准答案,那一定是更轻、更快、更智能。

以传统燃油车为例,它的进化意味着更低的油耗和排放。调查数据显示,汽车重量每减重 30%,燃油效率可提高 20%-24%,二氧化碳排放降低 20%。

在碳中和的大背景下,汽车轻量化是各大车企竞相追逐的方向。而新能源时代的到来,又进一步为汽车智能化的演进提供了基础。

一方面,新能源汽车的动力系统通常占整车总质量的 30%~40%,显著高于传统燃油车动力系统质量和空间占比。

另一方面,对于新能源汽车而言,轻量化意味着更长的续航里程,续航里程是新能源汽车发展的重要生命线。

在轻量化要求下,新能源汽车赛道有了新的游戏规则和玩法,各种轻量化技术得以登上时代的舞台,重新解构和演绎自己。

钻石量子传感器

相比传统的汽车配件,激光雷达等传感器的搭载使汽车更加智能化,但即便目前车辆上已配备了十数个传感器,也不能完全解决所有场景的安全问题。

量子传感器是用量子机制建立极为精密的传感器,简单点来理解,相比传统传感器,量子传感器的精度更高,灵敏性更强。

近几年,随着技术的迭代,量子传感器商业化应用的声浪越来越高,医学、生物界等领域都开始出现量子传感器的身影。

在智能化发展的背景下,量子传感器也加速走向汽车市场,量子传感器在汽车领域的应用,能为汽车提供“更灵敏的反应”和“视力更强的眼睛”。

此前行业内就有权威专家预测,“未来,量子传感器将在汽车领域发挥越来越重要的作用。”

但传统的量子传感器组件较多,体积和重量较大,搭载在汽车上似乎不太现实。

2019 年,麻省理工学院研究人员在硅芯片上创建了基于钻石的量子传感器,通过利用常规的制造技术,将众多传统的巨大片段压在几十分之一毫米宽的正方形上。

历经三年洗礼,钻石量子传感器有了新进展。

近日,东京工业大学研究人员报告了一种基于钻石量子传感器的检测技术,首次将钻石量子传感器带到了电动汽车电池领域。

一般而言,电动汽车是通过分析电池的电流输出来监控电池中剩余的电量,同时计算剩余的行驶里程,而这一过程往往存在 10% 的错误率,从而导致电池使用效率低下。

基于钻石量子传感器的监测技术可以把错误率降低到 1%,甚至 0.11%。

换言之,在该技术下,可以将电动汽车的行驶里程延长 10%,或者说,在相同的行驶里程下,能将电池重量减轻 10%。

据东京工业大学研究人员所说,钻石传感器还可以帮助监测温度,有助于改善电池控制。

固态锂金属电池

图源:《Nature》

行业内,固态锂金属电池技术被誉为“颠覆性”技术,甚至被称为动力电池的未来。

什么是固态锂金属电池?

与目前市场上电动汽车电池所用的传统锂电池不同,一方面,固态锂金属电池在负极中用锂金属替代了市场上传统电池所使用的石墨和硅,能达到更高的能量密度;另一方面,使用固体电极和固体电解质取代锂离子电池中的液体或聚合物凝胶电解质,能防止锂离子的外漏,从而减少电池短路的发生。

简单点来讲,相比市场上的传统锂离子电池,固态锂金属电池体积小、重量轻,另外充电更快,电池寿命更长,同时也更安全。

近几年来,不管是学术界还是资本界,对于固态锂金属电池的追捧都可以说是渐趋疯狂,究其原因在于,其能极大缓解新能源汽车发展过程中的“安全焦虑”和“里程焦虑”,同时也更符合未来电动汽车发展的轻量化趋势。

但长时间难于攻破的技术难关,使固态锂金属电池难于真正走出实验室。

近年,有好消息陆续传来。

3 分钟内充满电,充电循环超 1 万次,电池寿命超 20 年,美国哈佛大学对于固态锂金属电池的研究有了新的技术突破。

去年 5 月,美国哈佛大学就曾公布固态锂金属电池的进展,但彼时的技术停留在“10-20 分钟内完全充电,10-15 年的电池使用寿命”层面上。

此次固态锂金属电池技术新的突破,可以说,直接拉高了电池技术水平的平均线,若真正大规模产业化或将成为解决制约电动汽车发展动力问题的关键,进一步赋能电动汽车行业。

目前,固态锂金属电池在加速其商业化应用的进程。

据了解,初创公司 Adden Energy 宣布已获得哈佛大学技术发展办公室授予的独家技术许可,用于推进该技术的商业化,其目标是将电池缩小为手掌大小的“软包电池”。

《2021-2025 年全固态金属锂电池行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示,预计 2025 年之前,首批固态锂金属电池将进入市场,未来 10 年,固态锂金属电池将是电动汽车动力电池的发展趋势。

钒阳极电池

图源:TyFast 公司官网

2022 世界动力电池大会上,广汽集团董事长曾庆洪一句“自己是在为宁德时代打工”,把汽车动力电池领域的窘境彻底展露在大众的视野。

近几年来,车企一边寻找新的供应商,一边寄托市场带来新的“替代品”。

“钒阳极电池”这个新概念也在这个夏季进入人们的视野中。

6 月,据外媒报道,TyFast 宣布公司开发制造钒阳极电池,并称钒阳极电池充电速度比普通锂离子电池快 20 倍,可将使用寿命延长 20 倍,能实现 3 分钟内充满电,支持 2 万次充电循环。据了解,该电池仍能提供当前电池 80% 到 90% 的能量密度。

首先来了解下什么叫钒阳极电池。

跟去年掀起一波讨论热度的钒电池(全钒氧化还原液流电池)不同,钒阳极电池仍属于锂离子电池。

传统的锂离子电池充电时间会受到锂离子流入和流出阳极的速度影响,用于阳极的石墨具有平面结构,能在其间自由滑动。

与传统锂电子电池不同,TyFast 改用锂钒氧化物(LVO)制成电池阳极,相比石墨,有着两大优势。

一方面,锂钒氧化物(LVO)传输速度是石墨的 10 倍,大幅减少充电时间,另一方面,在充电和放电时,锂钒氧化物(LVO)膨胀和收缩小于石墨,这意味着阳极的机械和化学损伤更少,从而能延长电池寿命,

但钒阳极电池也存在缺点,与石墨相比,同质量的 LVO 含有更少的离子,且更昂贵,约为石墨阳极的两倍。不过研究团队认为,由于 LVO 的生命周期更长,因此可以弥补其高成本的缺点。

202 年,UCSD 纳米工程师和 Tyfast 联合创始人首次在《自然》杂志上报告了 LVO 阳极,目前,钒阳极电池的产品仍停留在计划书上。

随着技术的迭代,或将在不久后能与市场见面。

混合放电技术

图源:IEEE Spectrum

在全球碳中和的背景下,传统燃油车在市场的霸主地位逐渐被新能源汽车所撼动,电动化和智能化不断重塑整个汽车产业形态,然而,当一个新事物出现之后,与它相关的问题也随之而来。

依靠燃油发动的传统燃油车在发生碰撞时会导致汽车起火,那么依赖高电压电池的电动汽车在碰撞后是否也会发生触电事故?此前,行业内就曾出现一波讨论热潮。

相关研究表明,尽管发生几率很小,但仍存在这个可能。

在电动汽车上,动力电池、驱动电机、高压配电箱和高压线束等零部件组成了整车的高压系统,一般而言,电动汽车的电池电压在 336-800V 区间。

在整车制造中,为了防止高压触电,电动汽车会内置触电保护装置,在发生碰撞之后,汽车的中控系统会切断相应的高压电路,具体表现为,当汽车电源的火线和零线的电流不相等,断路器将立即跳闸,将电池与其他部件隔开,并且通过齿轮箱与驱动电机断开连接。

联合国欧洲经济委员会(UNECE)条例 R94 规定,在发生碰撞后,除电池本身外,任何车辆部件的电压必须在不到一分钟的时间内降至安全水平(60 V)。

然而在现实中,当汽车发生碰撞时,分别存储在电容器和电机中的残余电能和机械能将在直流母线内保持初始电流水平 5 分钟以上,这不仅违反了高压安全要求,而且增加了触电的可能性。

今年 7 月,英国约克大学的副教授 Dr Yihua Hu 与他的研究团队提出了一种可显著降低这种情况发生的几率的技术,相关研究发表在《IEEE 电力电子学报》上。

Dr Yihua Hu 与他的研究团队提出可以通过内部机器绕组辅助外部泄放电路来实现快速和安全的放电,目前已在实验室的电动机系统上进行的模拟和实验。

实验结果表明,电路泄放器和内部机器绕组的组合可以在短短 5 秒内将直流母线的电压安全地降低到 60 V。

据了解,该技术可以减小内部机器烧组的尺寸,实现符合轻量化要求且成本低的放电技术,团队目前正在与 Dynex Semiconductor 和 Lotus Cars 两个公司合作,在现实世界中测试这项技术。

碳陶刹车盘

在电动化和智能化的发展大潮中,碳陶刹车盘的优势愈发凸显。

相较传统用金属材料制成的传统刹车盘,碳陶刹车盘更耐高温、摩擦性能更高且更稳定,在制动系统中,能减少因摩擦导致的发热,起火事故。

碳陶刹车盘密度更低,在同等尺寸的情况下,碳陶刹车盘在重量上比传统刹车盘要轻一半以上,碳陶刹车作为电动汽车减重的关键零部件,近几年在市场上屡受追捧。

碳陶刹车片更符合智能化发展趋势,使用碳陶刹车片能够显著提高响应速度,缩短制动距离。

近段时间以来,碳陶刹车盘在汽车市场频频被提及,就在前不久,天宜上佳对外宣布,获得某车企开发定点,即将进入其特定车型碳陶制动盘开发和供应流程。

今年 6 月,金博股份成为广汽埃安碳陶制动盘的定点供应商,仅一个月后,再获比亚迪定点。

近几年,国内的主机厂纷纷加大对碳陶刹车盘的布局。

其实,碳陶刹车片在市场上出现并不算晚,早在 1999 年的国际汽车交易会上,碳陶刹车盘就被揭开了神秘的面纱。2021 年,特斯拉对外宣布,将为旗下最速量产车 Model S Plaid 车型提供碳陶瓷刹车套件。

碳陶碳陶刹车盘优势明显,但在高昂的成本制约下,难于大规模商业化应用,此前,碳陶刹车片只出现于高端品牌车型上,而如今随着技术的迭代,成本得以降低,碳陶刹车盘正加速“上车”。

2023 年被认为是碳陶刹车盘规模化的元年,招商证券的统计数据显示,2025 年国内市场有望达到 78 亿元,2030 年国内市场规模有望超过 200 亿。

800 伏充电系统

“喝一杯咖啡的时间,电动汽车就能充满电”,800 伏充电系统出现之后,这一愿景正慢慢成为现实。

电动化的趋势下,催生了大量的里程焦虑,“充电难”问题使一众消费者对电动汽车望而却步。

如何提高电池续航能力和充电效率,俨然已迫在眉睫。

在动力电池能量密度短时间内很难出现大幅提升的情况下,玩家们开始寄托于在相同的尺寸下提高电池的电压或电流,进而实现“超级快充”,其中,800 伏充电系统成为提高充电效率的重要载体之一。

目前市场上普遍使用的还是 400 伏充电系统,800 伏充电系统相对来说是一个较新的概念。

所谓 800 伏充电系统,即是通过加倍的电压和相同的电流,提高了电池的充电性能和整车运行的效率,在同样的电池尺寸下,800 伏充电系统能将充电时间缩短一半,进而大幅减少电池尺寸和成本。

据了解,使用 800 伏、350 千瓦的充电器,100 公里的充电时间仅需 5-7 分钟。

800 伏充电系统优势明显,但要真正大规模投入运用并不是一件容易的事,其面临成本的难关。

汽车搭载 800 伏高压架构时,往往需要对电动汽车的电池包、电驱动、PTC、空调压缩机、车载充电机等进行重新选型。

其次是相关设施的配备,市场上的充电桩和配电网络大多与 400 伏充电系统相匹配,若没有重新建设或革新就投入使用,会带来较大的风险。

电动化转型声势浩大,相关汽车零部件供应商也加大对于 800 伏充电系统布局。

采埃孚去年就开始在中欧量产 800 伏功率电子,今年加大了对国内市场的投资,今年 9 月,800 伏碳化硅电驱动桥在杭州萧山工厂正式下线。此前,华为、博格华纳、汇川技术等发布了 800 伏电驱动系统;

奥迪 E-tron GT,保时捷 Taycan 在市场上率先使用 800 伏充电系统。

国内车企也不甘落后,在去年广州车展上,比亚迪 e 平台 3.0、吉利 SEA 浩瀚平台等都选择了 800V 高压架构。

800 伏充电系统的“超级快充”属性无疑是电动汽车充电的一大趋势。

CTC 技术

2022 年,站在动力电池风口,蔚来和中石化等企业手举大旗,往换电技术的大道大摇大摆走去,另一条岔路上,宁德时代、特斯拉前仆后继。

这条岔路就是 CTC(Cell to Chassis,无电池包)技术。

在搞明白 CTC 技术之前,需要先了解下传统电池包和 CTP 电池。

传统的电池包的内在结构是“电芯-模组-电池包”,通过采用大量线缆和结构件进行串联,在这种结构下,电池包内的空间可利用效率较低,整个动力电池也较笨重。

为了提高电池包内的利用效率,CTP 技术应运而生,CTP 技术通过把电芯直接集成在电池包内,形成“电芯-电池包”的内在结构,以此提升电池包的空间利用率,在 CTP 技术下,电池电量可比传统电池包增加 5%-10%,比亚迪的刀片电池就是 CTP 技术的集成之作。

CTC 技术被认为是 CTP 技术的进一步集成,所谓 CTC 技术即是取消 PACK 设计,直接将电芯或模组直接安装在车身上,以车身结构充当电池包外壳。

相比 CTP 电池,CTC 电池更加一体化,能以更低的成本实现更长的续航里程,据了解,CTC 技术能在 CTP 技术的基础上使电池电量再增加 5%-10%。

CTC 被认为是未来电池技术路线的重点方向,各家竞相追逐。

早在去年 1 月的第十届全球新能源汽车大会上,宁德时代就透露,将于 2025 年前后正式推出高度集成化的 CTC 电池技术,同年 6 月,特斯拉对外公布 CTC 方案。

目前,CTC 技术已进入商业化应用层面,零跑 C01 率先应用了自研的 CTC 技术,特斯拉在德国柏林工厂生产的 Modle Y 也会使用 CTC 电池(特斯拉称为结构性电池)。

与资本对 CTC 技术的热衷不同,消费者对于 CTC 技术的发展略有几分担忧。

一方面,在 CTC 技术中,电芯直接参与碰撞受力,在缺少模组和电池包保护的情况下,更容易出现安全问题,另一方面,CTC 电池一体化和集成化的结构在后期维修时不方便拆卸,大大增加维修的费用。

写在最后

调查数据显示,“纯电动汽车重量每降低 10kg,续航里程可增加 2.5km”,在群雄逐鹿的新能源汽车市场,“减重”成为各新能源车企关键命题,轻量化技术无疑是在新能源汽车江湖厮杀最大的武器。

上述提到的这些技术有些仍停留于实验室阶段,有些已大步走向市场,但在真正大规模量产之前,它们都或将面临着技术和成本的难关。

但最终“成”或“败”,市场自然会给出答案。