李競強，康蘇媛，甄曉陽

(天津市高技術(shù)研究發(fā)展中心 天津300051)

創(chuàng)新工作方法 破解新能源汽車發(fā)展瓶頸

李競強，康蘇媛，甄曉陽

(天津市高技術(shù)研究發(fā)展中心 天津300051)

大力發(fā)展新能源汽車是提升大氣環(huán)境質(zhì)量、發(fā)展我國汽車工業(yè)的重要戰(zhàn)略。新能源車市場需求逐漸擴大，但目前國內(nèi)純電動車的電池系統(tǒng)能量密度仍然偏低，搭載的汽車普遍存在行駛里程短、使用成本高、充電基礎(chǔ)設(shè)施不完善等問題，成為了制約新能源汽車發(fā)展的瓶頸。為大力推動新能源發(fā)展，破解發(fā)展瓶頸，通過對國內(nèi)外關(guān)于動力電池和充電設(shè)施的分析，以發(fā)明問題解決理論(TRIZ)破解新能源汽車的發(fā)展瓶頸，并有針對性地提出了解決方案。

新能源汽車 發(fā)展瓶頸 創(chuàng)新工作方法

0 引 言

近年來，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，機動車尾氣排放帶來的污染問題日益突出。據(jù)測算，汽車尾氣排放占城市污染物的65%。自1993年開始，中國成為石油進口國，石油的對外依存度逐年攀升。環(huán)境問題、能源安全制約影響著中國經(jīng)濟社會的又好又快發(fā)展。從美國汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新過程來看，政府在其中的作用毋庸置疑，不論是PNGV還是FreedomCAR都在政府的支持和主導下取得了較快發(fā)展。發(fā)展新能源汽車是國家確定的重要戰(zhàn)略舉措，是提升大氣環(huán)境質(zhì)量、改善能源消費結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)汽車強國的重要途徑。由于目前空氣污染越來越引起國家和社會的關(guān)注，可持續(xù)發(fā)展也已成為一個新產(chǎn)業(yè)的必然要求。國務院于2012年4月18日批準了《節(jié)能與新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2010—2020年)》，明確了節(jié)能與新能源汽車發(fā)展的技術(shù)路線，即以純電動車為汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略趨向。

從市場需求來看，新能源車市場的需求逐漸擴大。但目前國內(nèi)純電動車的電池系統(tǒng)能量密度仍然偏低，搭載的汽車普遍存在行駛里程短、使用成本高等問題。此外，純電動車電池系統(tǒng)充電時間長和充電站少等問題也是阻礙其市場快速發(fā)展的重要原因。

發(fā)明問題解決理論(TRIZ)是由前蘇聯(lián)發(fā)明專家G. S. Altshuller帶領(lǐng)研究團隊在研究大量發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，提出的具有完整體系的發(fā)明問題解決理論。在之后的幾十年時間里，TRIZ理論得到了不斷的發(fā)展。為使TRIZ發(fā)揮更大的作用，國外學者把TRIZ與其他設(shè)計理論結(jié)合進行了較為系統(tǒng)的研究，這些理論包括：田口方法論、QFD、公理設(shè)計、通用設(shè)計理論等。TRIZ是專門解決產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造過程中的各類沖突問題的，而汽車動力電池及充電設(shè)施所存在的關(guān)鍵核心技術(shù)難題許多都存在沖突。通過開發(fā)基于TRIZ的技術(shù)集成創(chuàng)新模型用于解決技術(shù)難題，可為企業(yè)提供有效的解決方案。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢

1.1 國外現(xiàn)狀及趨勢

隨著近幾年電動汽車應用研究和產(chǎn)業(yè)化的不斷升溫，國外一些大的汽車企業(yè)和蓄電池廠家針對各種電池做了大量研究，在電池成組集成、管理與應用方面，國外的整車廠經(jīng)過多年的設(shè)計與驗證，相繼推出了純電動和插電式混合動力轎車，其中具有代表意義的是美國通用汽車的沃藍達和日本日產(chǎn)的聆風。通用汽車的插電式混合動力轎車沃藍達使用LG化學生產(chǎn)的軟包電池，組成了16,kWh的電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了復雜的電池管理系統(tǒng)和水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，能夠全天候、全地域使用，并承諾10年的使用壽命；日產(chǎn)的聆風采用AESC生產(chǎn)的軟包電池，組成了24,kWh的電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分模塊化，集成了復雜的電池管理系統(tǒng)和基于風冷的熱管理系統(tǒng)，承諾8年的使用壽命。

就全球鋰離子電池布局來說，日本、韓國和中國廠商占據(jù)主導地位。從技術(shù)上看，日本企業(yè)仍居于領(lǐng)先地位，其生產(chǎn)設(shè)備自動化程度高，中國和韓國均是從日本引進技術(shù)和設(shè)備，通過消化和吸收，不斷完善和提高。

在電動汽車充電方面，目前，美國、日本、以色列、法國、英國等國家都已開始建設(shè)各自的電動汽車充電設(shè)施，主要以充電樁為主。與此同時，歐美等新能源汽車先進國家也一直在進行智能充電服務平臺的研究。美國Charge Point是最大的開放式電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)服務平臺，在美國本土涵蓋了19,000個充電站，并以每月不低于500臺充電設(shè)備接入的增速快速發(fā)展，電動汽車用戶可以通過網(wǎng)站、智能手機應用、車載導航系統(tǒng)享受充電服務狀態(tài)查詢及導航等服務。

TRIZ在國外已應用于產(chǎn)品設(shè)計、企業(yè)管理、經(jīng)濟、建筑、軍事等各個領(lǐng)域。在美國，大型企業(yè)集團和科研部門廣泛應用著TRIZ理論，產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟效益。福特汽車公司利用TRIZ創(chuàng)新的產(chǎn)品為其每年帶來超過10億美金的銷售利潤。在德國，最早在產(chǎn)品研發(fā)過程中采用TRIZ的是西門子公司。之后，德國所有名列世界500強的大企業(yè)都采用了TRIZ，西門子、奔馳、寶馬、大眾等著名公司都有專門機構(gòu)及專人負責TRIZ的培訓和應用。韓國的三星公司自1997年引入TRIZ到2003年的7年時間里，采用TRIZ指導項目研發(fā)而節(jié)約相關(guān)成本15億美元，同時通過在67個研發(fā)項目中運用TRIZ技術(shù)成功申請了52項專利。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀及趨勢

在國內(nèi)，比亞迪推出了F3DM、E6等電動車，奇瑞也推出了S18純電動微車，這些車輛均使用磷酸鐵鋰電池進行成組設(shè)計，集成了電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，并進行了一定量的可靠性和耐久性測試，現(xiàn)在還局限于示范運行或面向集體用戶使用階段。

目前國內(nèi)從事車用鋰離子動力蓄電池研制和生產(chǎn)的單位按正極材料體系主要分為兩大類，一類以LiMn2O4為主，代表企業(yè)為北京盟固利動力科技有限公司等；另一類以LiFePO4為主，代表企業(yè)為深圳比亞迪股份有限公司、天津力神電池股份有限公司、杭州萬向動力電池公司等，均已形成了一定批量生產(chǎn)能力，并在電動汽車領(lǐng)域得到了實際應用，積累了大量的實車運行數(shù)據(jù)。然而隨著整車企業(yè)要求的不斷提高和動力電池技術(shù)的進步，磷酸鐵鋰能量密度低，未來不能滿足國家和市場對能量密度、行駛里程的要求，以高容量NCM和NCA為正極材料的高比能量電池的研發(fā)成為熱點。

在高容量新型正極材料方面，中國科學院、北京有色金屬研究總院、清華大學、天津大學、天津工業(yè)大學等眾多科研機構(gòu)對高容量鎳系正極材料進行了研究并取得了一些進展。

隨著我國電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，國家電網(wǎng)、中石油、中石化、中海油等大型國企集團都紛紛發(fā)布電動汽車充電設(shè)施規(guī)劃或建設(shè)意向。目前電動汽車充電設(shè)施建設(shè)、運營主要有3種商業(yè)模式：①公用充電站模式；②停車場(或路邊)充電樁模式；③電池更換站模式。國內(nèi)在充電設(shè)施信息化、智能化研究方面也進行了一定的探索和實踐。

解決工程難題需要創(chuàng)新方法。目前，我國學者在基于TRIZ的綠色創(chuàng)新設(shè)計、協(xié)同設(shè)計、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、基于TRIZ的計算機輔助創(chuàng)新系統(tǒng)等方面做了較多的研究。

2 存在的問題

當前汽車動力電池和充電設(shè)施方面存在的許多問題直接制約了新能源電動汽車的順利發(fā)展和普及，而這些問題有的屬于設(shè)計本身的問題，有的屬于產(chǎn)品制造的問題。而對于產(chǎn)品設(shè)計的問題，有的屬于設(shè)計錯誤，有的屬于產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)達到了極限而難以提高。前者需要解決設(shè)計上存在的問題，后者需要新技術(shù)系統(tǒng)的替代。擁有解決不同種類問題的技術(shù)和方法，能大幅提高現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的性能，或者得到一個全新的設(shè)計，或者得到一個新的制造技術(shù)。

基于TRIZ的創(chuàng)新方法能夠提供給工程師解決行業(yè)技術(shù)難題的知識，然而對于TRIZ在不同工程領(lǐng)域中的有效應用還需要不斷地探索與研究。當前，TRIZ在我國的研究與應用多數(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域，對化工、微電子電路、生物科技等領(lǐng)域技術(shù)問題的研究與解決還不夠，究其原因是無法從技術(shù)內(nèi)涵中抽象歸納出技術(shù)問題下隱藏的原理性沖突。

3 解決方案

3.1 研究開發(fā)支持企業(yè)新能源汽車動力電池和充電設(shè)施產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)、工藝集成創(chuàng)新模式和方法

該集成創(chuàng)新方法是適應國內(nèi)該領(lǐng)域企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新和升級需要的方法體系，包括解決產(chǎn)品設(shè)計存在的關(guān)鍵核心難題以及提出產(chǎn)品新的技術(shù)系統(tǒng)，為企業(yè)制定多種產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)及工藝集成應用的實施方案，并取得較顯著的成效，以此解決本行業(yè)在產(chǎn)品制造工藝(包括新工藝、新設(shè)備和新的組織和管理模式)從概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計到詳細設(shè)計中遇到的創(chuàng)新問題，從而不斷提高產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率，降低制造成本和縮短交貨期等。

3.2 研究專利規(guī)避創(chuàng)新模式和方法

在分析與企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計相關(guān)專利的基礎(chǔ)上，應用TRIZ理論和專利侵權(quán)判定規(guī)則，開發(fā)出更具競爭優(yōu)勢的新技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)自身技術(shù)的特點和優(yōu)勢，制定出與企業(yè)發(fā)展規(guī)劃相適應的專利戰(zhàn)略以有效保護企業(yè)核心技術(shù)。

3.3 研究和開發(fā)面向汽車動力電池和充電設(shè)施產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新需求的問題方法庫

開發(fā)適合相關(guān)企業(yè)或行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新問題方法庫。確定問題方法庫的功能，定義出適合填入該庫的問題方法的標準，提出該問題方法庫使用和維護的方法與規(guī)則。

3.4 構(gòu)建應用創(chuàng)新方法解決新能源汽車電池及充電設(shè)施關(guān)鍵核心技術(shù)難題的合作平臺

構(gòu)建將技術(shù)創(chuàng)新方法應用于解決該行業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)難題的合作平臺，探索合作平臺的功能實現(xiàn)方法以及運行管理方法，使該合作平臺既產(chǎn)生具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)和新工藝，又打造企業(yè)的高水平創(chuàng)新人才，最終為提升企業(yè)核心競爭能力做出貢獻?！?/p>

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Breaking the Development Bottleneck of New Energy Vehicles Through Innovating in Work Methods

LI Jingqiang， KANG Suyuan，ZHEN Xiaoyang
(High Technology R&D Center of Tianjin，Tianjin 300051，China)

It is a major strategy to vigorously develop new energy vehicles to improve the atmospheric environmental quality and the development of automobile industry in China．However，low energy density of full electric vehicles’ battery system，short mileage，high usage cost and imperfect charging infrastructure have become the bottleneck which restricts the development of new energy vehicles．Through analyzing the power battery and charging facilities both at home and abroad，this paper discusses how to crack the bottleneck for new energy automobile development through the invention of the theory of problem solving(TRIZ)．In the end，relevant solutions were put forward.

new energy vehicles；development bottleneck；TRIZ

U469.72＋2

A

1006-8945(2016)08-0022-03

2016-08-02