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原创 新能源客车研究专题

2017-8-18 16:52 464 1 1 分类: 汽车电子


我最近做了一个专题,未免老大觉得我不务正业也就不好意思一个个发出来。这里做个合集:

1)研究周报 | “起步冠军”未来走向何方?解读新能源客车发展趋势

2)研究周报 | 新能源客车OEM与供应链格局的变化趋势

3)研究周报 | 电动客车的出口挑战和运营成本压力分析

4)研究周报 | 客车智能化发展能否率先突破城市交通拥堵难题

     这四篇主要从这几年的客车发展趋势,客车企业供应链体系上的作用,还有出口的发展以及未来智能化特别是安全方面的特点做了一些阐述。感兴趣的可以点击以上文章阅读一下。

备注:篇幅比较长,而且里面用了不少的数据和图,以下给出文字方面的叙述。建议阅读上文的链接,感谢Tina给我的很大的帮助。

1)电动客车的发展


本期研究周报是打算从电动客车入手,做一个系统性的专题,从新能源客车的发展、现在的技术情况、零部件发展的情况、目前在走出国门中的一些问题还有未来结合智能化发展做几个专题的研究周报讨论。

本文是第一篇,主要探讨我国的新能源客车从零开始的发展历程,至今从数量上更是具备全球领先优势,这个历程的得失对整个新能源汽车的影响。在我们考虑电动汽车发展的时候,乘用车、客车和专用车是存在一定的次序,在发展过程中也是相互影响的,特别是在零部件领域的需求,充电设施的补充还有产品应用情况都有一些促进作用,本专题主要从这个角度来探讨和思考。其实根据顶层设计,早在几年之前的讲法,实现大客车、微型车(A00)‘两头挤’(发展新能源客车和新能源微车),到现在2017年来看,确实是发展成这个样子了,中间是否开花了,是我们另外需要探讨的话题。


第一部分 客车市场发展历程


客车的电气化发展是挺早的,这里有一个分水岭,就是确定了纯电驱动的战略,把HEV排除出新能源汽车的序列,多数企业根据实际的情况,把HEV都转化成了PHEV,之后再也没有HEV模式的客车出来了。

在政府推动阶段,考虑到公共交通行业具有公益性和运营线路固定的特点,电动公交客车成为新能源汽车示范应用的主力军。一方面电动公交客车由于运行区域固定、起停频繁、对动力电池容量要求低。另一方面由于采用定线、定时、定区域使用,便于实现车辆跟踪与维护,汽车企业、公交公司、电池及电机企业的服务成本较低。

1)加速发展的模式

新能源客车的火爆行情仍得益于国家的财政补贴。国家给予新能源汽车补贴,是希望在电池技术还没有突破、成本又居高不下的情况下,鼓励企业加大对新能源汽车的研发。2013年9月,财政部、科技部、工信部及发改委等四部委发布《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》,通过财政和推广任务两种渠道来保证整个推广情况的发展。市场表现来看,客车市场主要是围绕补贴展开,那些产品对客户最有利,哪些产品就表现好。2014年以前,市场主要补贴混合动力,则各企业一窝蜂地生产混合动力车型;2015年6~8米纯电动客车 补贴比例相对较高,则此类产品成为热点。政策驱动型市场的情况向,市场会有很大的起伏,补贴波动会引起整个产业链的巨大波动,而没有补贴的话,那么市场非常可能如同前几年混合动力的客车一样产生巨大的波动。


第二部分 客车和补贴的历程


2013~2015年的补贴主要是通过《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》来确定的,以车长来直接决定补贴。

由于这里存在着大量的疑问,特别是中央补贴在客车领域一估算有446亿,加上地方补贴,这个金额确实有些夸张了,按照补贴政策走的情况,使得车辆出现部分闲置的情况发生。

2016年补贴:由于之前的推广告一段落,2016年是围绕里程、能耗结合考虑车长的实际考虑的。通过给出一个基准的10~12米的大巴标准,然后不同车厂段根据差异来修正。这里强调续航里程和能耗,又没有区分不同的使用场景,使得整个计算较为复杂。

如下图所示,可以需要把车长、能耗效率、续航里程,结合成表格来计算实际的结果。

  2016 年新能源产业政策动荡,年初启动骗补核查,4 月份中机中心重审前三批推广目录,直至 12 月才陆续公布第四、第五批目录,导致前期累积的需求在 第四季度集中生产和销售。由于补贴的导引作用,从结构看,2016 年纯电动客车占新能源客车总产量 86%。车型长度来看,主要集中在 8-10 米及 10 米以上的车型,合计占比 82%。这基本导致补贴的多少直接影响产品解决方案的地步了。

2017之后年补贴,区分成快充和非快充的纯电动,而插电继续单独作为一个门类以节油率水平进行考核补贴。2017年的情况,导致今年上半年的继续调整。


第三部分 客车发展的技术解决方案


按照参考文献3的整理,在2014年新能源客车的技术路线还属于百花齐放的阶段,按照续航里程、充电的形式和混合动力构型的形式可以分成以下几种。而随着补贴的偏向性,整个产量跟着利润走,整个技术方案全部往纯电动集中。

     所以也如EV-tank所整理的情况所示,纯电动客车消耗了大量的磷酸铁锂电池,基本上主宰了动力电池行业的需求。整个行业补贴,也变相流向往电池企业。

2)电动客车的格局和技术现状

本篇周报,主要对2014~2017年以来,电动客车形成的行业和技术格局做一些梳理。

第一部分 技术路线

1)插电与纯电

2017年新能源补贴政策将新能源客车分为4类:非快充类纯电动客车、快充类纯电动客车和插电式混合动力(含增程式)客车和燃料电池客车。严格意义上,我们也可以根据这种划分方法来分解三条技术路线和代表企业。

1.1 纯电动汽车

以10米大巴而论,如下图所示,可以看出基本的分布类型。

第一类 主流还是120Kwh以上的磷酸铁锂电池。这里可以从130kwh配置到300kwh,公里数从250~500(等速法)

第二类 上70~80kwh的是珠海银隆快充方案,里程做到130~150公里

1.2 插电/增程类客车 插电类车辆的配置在电池方面相对差异更小一些。如图2所示,电池的配置在20~60kwh之内,纯电的里程在50~100Km。由于此类车辆公交占比是绝大多数,车辆在使用过程中循环次数比较多。

从动力层次上,主要分为并联和串联(增程)两大类:

串联式混合动力车,内燃机和驱动车轴之间没有机械连接。发动机驱动发电机对电池充电。电池带动电机驱动车轮前进。由于内燃机没有直接和车轮连接,可以在理想的状态下运行,甚至可以关闭一段时间而完全由电驱动公交车辆行驶。

并联式混合动力发动机可以驱动车轴,电机可以对车载电池进行充电或直接驱动车轴。内燃机和电动机各自连接到车辆传动系统。在走走停停的交通状况下电机提供驱动力,而在高速公路上行驶时完全由内燃机提供驱动力。通过再生制动过程,刹车制动损失的能量被回收用于电池充电。

这里有个分支是超级电容超级电容+磷酸铁锂,如下图和表所示,整个运行过程根据公交的特定来定制,配合基础设施,可以达到比较好的效果。

燃料电池客车由于占比较小,不在今天文章的讨论范围之内。

根据参考文献1不同技术路线在应用中区别也是有的。

按照上海巴士三公司郭凯的实际总结是,跟踪710 辆新能源车之后,从安全性、续航里程、故障率分析,从可靠性看,实际数 据得出,纯电动的故障率最低的,增程式其次,混合动力最高;实际应用感受是增程式和并联式两种车都能满足路况需求,但需进一步优化和调整, 尤其是整个车的抗干扰性。随着整个样本量和实际运行的情况,在不同种的应用中的实际效果来说,会有不同的结果。

2)应用和市场

2016年,公交车在新能源客车细分市场的销量结构占比高达81%,成为新能源客车市场的核心市场。在插电式客车领域,公交用途占比高达96%,绝大部分的插电式客车出了公交市场没有销路。至2016年底,我国公交客车的保有量达50万辆左右,其中,新能源公交约16万辆,市场渗透率达32%。相比之下,我国公路客车年均产销量基本维持在 40-44 万辆左右。到了2017年,这半年下来情况还是类似的,1-6月国内共销售新能源公交车11599辆,占销售总量的81%。

 3)充电基础设施的支持

由于有着固定的充电需求,客车的运行充电,是众多充电企业的基本支柱。由于公交车运行的线路固定、发车间隔固定,其运营调度安排比较规律,因此纯电动公交车动力电池的充电模式也比较清晰,目前采用的充电模式主要有以下几种:   

整车充电模式 :每辆纯电动公交按照行驶线路和发车序列运行几次后,根据调度进入指定充电站进行充电,直到充满为止;充电结束后,再次投入运行。适用于车辆数充足、线路较短、充电场地较大、充电设备设施完备、充电时间短、补充电能速度快的电动公交线路。

集中充电模式 :每辆纯电动公交在充分考虑续航里程的前提下,按照行驶线路和发车序列运行,待电能用到不足以完成一个完整的序列时,当天停止运行,进入指定的充电站进行集中充电,将己消耗的电能全部补充完毕。适用于线路乘客较多、电池容量大、白天充电难以调度的情况,可利用夜间负荷低谷时充电,降低充电所消耗的电费,降低运营成本。

补充充电模式:整车充电模式和集中充电模式的结合,是指每辆纯电动公交按照行驶线路和发车序列运行几次后,根据动力电池电量使用情况(电量低于某一数值后),进入指定充电站进行充电,待电池电量充到一定比例后(一般应能满足当天剩余的运营需求),再次进入发车序列,完成当天的运营计划后,再次进入指定充电站,等待夜间进行集中充电。

在线充电模式:如前面所述,配置超级电容,实现部分区段在线充电。

 4)安全问题:这个需要单独来提一下,火灾次数随产销量增长,发生火灾比率与产量估算比达到了50PPM以上。当未来保有量较大的时候,火灾事故将达到也会一个非常大的比率,对于客车而言难免有重大伤亡事故,后果是引人深思。特别是北京杨柳絮引燃了几十辆新能源客车,在某些方面也直接推动安全在客车上的权重。


 第二部分 客车OEM行业格局和供应链格局

1)行业分化

   在电动化的过程里面,如果只看这3年的情况而言,由于客车本身属性的复杂性,企业在争取市场份额的过程中也在研发、生产中投入了大量的资金,由于补贴占据整个运营层面比较多的经费,使得整个行业格局呈现领先而不能完全控制局面的实际情况。随着补贴的调整,产品组合也需要调整,这就使得未来的客车企业在新能源客车格局需要不断在补贴的调整情况下构建新的车型,来平衡成本、实用性和补贴的关系。

2)系统整合方案

  整车企业现在很讲究把各种控制器整合在一起,把逆变器集成起来(用来驱动电动汽车上的主电机,一般是接收整车控制器的信号,控制汽车主电动机的启动、运行、调速、停止),例如转向电机、打气电机、DC/DC、高压配电盒以及绝缘检测仪。相比离散的组合控制器,一体化多合一控制器外观整洁,可以减小控制器的总体积,从而节省了整车的空间,有利于汽车向轻量化、小型化发展。一体化多合一控制器减少了离散控制器之间的外部接线,降低了故障点,在节省成本的同时,提高了产品的可靠性,未来将是新能源电动汽车的发展方向。

  所以很有趣的是,不同的客车企业对以下的部件进行裁剪组合,倒是零部件企业做起来需要更费心。往后的趋势是进一步集成,去掉外壳和简化连接器,冷却回路系统性考虑。

3)电池格局

如上文所言的,新能源客车在2014~2016年都给电池企业带来大量的订单,随着2017年进入调整期,客车企业与电池企业的关系也是逐渐进入稳定而又竞争的局势。我们可以看到随着部分电池企业重心转入乘用车,维持客车的磷酸铁锂的份额也是一个波动性的市场。

客车企业与电池企业的关系,远不是双方博弈这么简单,也要考虑实际地方采购在其中的诉求。因此未来地方保护主义较弱的乘用车市场,将会是重点电池企业打破格局的工作重心。客车与电池企业的合作关系将会变得更为分散。

3)电动客车的出口和未来


 研究周报写到第三篇,就要探讨一下在鼓励政策、补贴的刺激下蓬勃成长起来的电动客车,是否经受得起完全市场化的检验。一个是考虑在国外市场的可能性,一个是考虑在购置补贴完全退坡之后,不同的技术路线最终的留存下来中外之间的对决。

第一部分 全球市场的客车规模和技术路线

1.客车行业全球总体规模

客车这个行业比较特殊,全球的市场在50万左右之后一直就很稳定,2015年我国5米以上客车市场整体销量为25.65万辆,2016年总体持平。由于有着稳定和全面的公共交通需求,我国中大型客车的产量就占了一小半以上。在中国目前现有的客车体系里面,大大小小的客车企业基本把国内市场做完了。

在这种优势地位下,国内的客车企业在充分销售到天时地利人和之后,也开始往外扩张,逐渐在南美、中东、非洲、东南亚等地区,通过与高端车企差异化的价格定位来实现扩张,也基本把Daimler和Volvo这样老前辈打到了停滞期。2017年1~5月,客车出口2.22万辆,大型客车出口0.70万辆,中型客车出口0.28万辆;轻型客车出口1.25万辆。

下一步核心的问题,是如何进入欧美市场核心,通过精兵的办法来获取城市客车、校车等欧美核心车型的青睐,而在排放要求较高的地区,就需要考虑新能源的客车战略了。

2.未来电气化客车规模增长概览

这是Navigant Research预测的未来新能源客车的增长趋势,其本质也是建立在中国的新能源客车坚实基础之上的。

如下图所示,在往欧美走的时候,纯电的需求是从长远来看比较高的,或者以插电的大巴,也能通过配置和充电设施的补充来获取比较好的使用效果。中国新能源客车的运行数量在世界范围内最多,运行里程也属最长。自2009年开展的“十城千辆”示范工程,中国在新能源客车领域已经积累了大量的运行经验,这个里面也有很多的故事,但是基本已经跑完了第一圈,把一些经验摸索出来了。

3.全球其他地区的技术路线

国外客车企业主要是在传统燃油客车(特别是柴油)领域领先于中国客车,走的优化路线也基本是以混合动力的方向在走,其技术积累基本围绕混合动力领域构建的。

3.1戴姆勒路线

  最早戴姆勒走的是混合动力的路线,目前是往纯点和燃料电池两个方向走。戴姆勒子公司ACCUmotive生产自己的电池组,在德国卡门茨县投资5亿欧元建立新的电池工厂。在建成之际继续新建更大规模的电池工厂来支持未来乘用车、卡车和客车的全面电动化。戴姆勒还有其他几个电动汽车项目,包括全电动卡车(Urban eTruck),以及为德国最大的独立物流公司提供1500辆全电动梅赛德斯奔驰货车,而Mercedes-Benz Citaro E-Cell也是其中一项,而燃料电池的车型则相对靠后。

3.2Volvo路线

  Volvo的路线相对比较保守一些,由于缺乏集团性的效应,在电气化的过程之中,是显得有些缓慢的。继续在混动尝试转向插电式混动的渐进性变革之中。

 第二部分 中国客车企业的探索

  看完前文,我们也需要来看一看两家新能源客车方面的探索者比亚迪和宇通的尝试。

1.BYD

比亚迪在美国,其实有着不少的车型,在欧洲比亚迪在伦敦运营的电动大巴将超过100台; 2013年在美国加州兰开斯特建设电动大巴和电池工厂, 2014年首台纯电动大巴下线。2015年比亚迪在美国洛杉矶LA Metro投入60辆电动大巴。2017年与加州羚羊谷交通运输局(AVTA)签署了 85辆纯电动大巴采购合同。总体而言,在全球处在小批量的示范运营状态,在美国推出的车型倒是不少的,如下表是所示:

2.宇通

  在各种数据下面,如下表所示,目前把新能源客车出口到欧洲去还处在类似示范阶段。虽然2015年参加欧洲的展览和试运行,也是小批量的一些新能源客车去进行尝试。最主要的有一些工作要做:

1)基础充电设施和充电系统匹配,需要从GBT转换到IEC的接口,从CAN到PLC的协议。

2)需要构建电池维护和相关的通道,整个售后的区间就拉的更长了;可能等到中国电池企业在欧洲开辟工厂的时候,这个事情就更合理一些

3)在没有大额补贴的情况下,现在补贴占据(30%~60%)电动客车还是在国内更合理一些,随着补贴的退坡,更优化配置的客车才会出现

总体而言,对于宇通来说,新能源客车出口到欧洲和美国这个事还在筹备阶段

第三部分 运营成本的比较

1.电动交通

公共巴士年总成本其实需要从很多的维度来考虑,在中国的大巴的数字如前文所言,由于地方政府的支持和补贴的双管齐下,使得运营能够顺利进行。而在全球范围内,即使是发达市场也是存在转型和公开示范运营阶段。整个考虑范围包括采购、金融、运行、设施和排放等多个维度的考虑。

   几个明显的考虑就是,整个客车的充电设施(包括建设、维护和升级)、维修成本(维护人员学习成本和维护的不见成本)、可用性(运行时间和充电时间比例)。整个账目如果去掉购置补贴还能算得过来,也就是真正新能源客车这类重载运行的工具能够实现替代之时。现在电池技术进步和成本条件下,还是早了一些。

4)客车智能化的发展


最后这一期的周报主要集中在客车智能化和安全方面来探讨一下,由于客车本身具有强的运营属性,其一面向终端使用人群很宽;在运营端可以采取很多的手段来调整。而由于高铁的存在,使得客车的应用面主要集中在城市和旅游客运之中。而在城市中,交通拥堵成为当前城市交通普遍面临很大问题,公共交通设施与城市交通需求失衡。而通过客车,把管理系统管控端、车辆售后维修端和客车使用者通过合适的信息系统予以连接,形成交通一体化、公交信息化、系统管理科学化已成为公共交通发展主要方向。下文主要把客车的智能化分为两块:

1)基于辅助驾驶和主动安全的近期演化

2)基于未来客运系统的自动驾驶需求

客车的智能联网系统的基础是一个相对完善的信息系统,通过构建一个演进的整车电子电器架构技术来实现整车各个电子系统的故障诊断、车内外车载总线信息网络、对管控和乘客的车联网网络衔接,由此实现公交运营调度智能化和运营车辆管理智能化

第一部分 主动安全

近年来交通事故(重特大群死群伤的客车安全事故),对道路安全管理和客车安全提出了要求。在安全领域可以分成以下的几个安全标准:

  • GB7258 机动车运行安全技术条件(修订)
  • JT/T 营运客车安全技术条件(制订)
  • GB13094 客车结构安全要求 (修订)
  • GB 电动客车安全技术条件

标准强制实施必须对 2017 年客车行业的发展,特别是客车产品的技术提升和进步带来很大的影响。在里面存在着有关主动安全和辅助驾驶方面的细节性要求

其中《营运客车安全技术条件》里面要求:

整车要求

  • 营运客车应安装电子稳定性控制系统(ESC)
  • 车长大于 9m 的营运客车应装备车道偏离预警系统,还应装备自动紧急制动系统(AEBS),这里参考了JT/T 883-2014《营运车辆行驶 危险预警系统 技术要求和试验方法》,规定了前方车辆碰撞报警系统(FCW)的测试方法

表 1 JT/T 883-2014 的 FCWS 测试方法

制动系方面

  • 引入弯道制动稳定性的试验方法及限值
  • 车长大于9米的营运客车,所有车轮应安装盘式制动器
  • 增加了制动器衬片磨损自动报警装置的安装要求;
  • “采用气压制动系统的营运客车,行车制动管路内工作气压应大于等于1000kpa

其实从营运客车上学习欧洲强制要求在重型商用车上部署紧急制动系统(从 2013 年 11 月起,欧盟商用车都必须依照法规配备AEB系统),完善客车的制动系统,是从安全角度出发的。

基于雷达和摄像头的融合现阶段对于客车而言覆盖面较宽,而实际重型车辆的线控刹车系统是存在较大的难点的。这一系列的法规实施,会使得国内客车企业在引用WABCO和KNORR两家成熟的电控刹车系统上,也会培养国内相应的供应体系。

第二部分 未来的自动驾驶系统

1)摆渡车方面的应用场景

自动驾驶客车行业来看,在欧洲一点点进入运营和示范的阶段。法国研发设计的自动驾驶巴士已经遍布英、美、希腊、日本、新加坡等多个国家和地区,最为典型的是两家Navya与Easymile两家创业公司:

Navya公司在2016年底获得来自法国三大运营集团之一Keolis与汽车零部件巨头法雷奥(Valeo)的3400万美元投资,车型Arma在法国投入运营的城市已增至7个,在全球共有45辆无人巴士,遍布5大陆,搭载的乘客人次超过17万。计划今年制造80辆自动驾驶巴士,并将在美国密歇根建厂。

Easymile公司则获得另一家汽车零部件巨头大陆集团的投资,还拿到了不少国家的私人公交运营商与私人企业的订单(租赁或购买两种形式),譬如日本永旺集团,就引进了多辆Easymile的主打车型EZ10,让无人巴士在日本千叶县丰砂公园内进行小范围试运营;还有DeNA,在园区内用EasyMile 的无人巴士来接送员工。EasyMile公司与Ligier公司合作,共同在法国的Vichy生产代号为EZ10的自动驾驶汽车。

 2)国内的客车自动驾驶尝试

2.1 宇通

2015年8月,宇通用一辆长10米的大客车满载乘客从河南省郑州市出发,在正常交通流量下,沿着郑开大道自动驾驶32公里安全到达河南省开封市,最高时速68公里/时,途经26个路口及信号灯,停靠2个公交站。

宇通自动驾驶大客车采用了激光雷达*4、毫米波雷达*1、摄像头*2、GPS和车联网设备等多种传感器来实现感知能力:

  • 雷达传感器:用来探测一定范围内障碍物(比如车辆、行人、路肩等)的方位、距离及移动速度。如图所示,这里配置了多个毫米波雷达和激光雷达,对多传感器的数据融合和雷达避障进行了一些尝试。
  • 摄像头:用来识别车道线、停止线、交通信号灯、交通标志牌、行人、车辆等。
  • 定位及位姿传感器:用来实时高精度定位以及位姿感知,比如获取经纬度坐标、速度、加速度、航向角等,通过位置信息就可以利用丰富的地理、地图等先验知识,可以使用基于位置的服务。
  • 车身传感器。来自车辆本身,通过整车网络接口获取诸如车速、轮速、档位等车辆本身的信息。

主控系统选用了工控机上运行着操作系统,操作系统中运行着自动驾驶软件操作系统之上是支撑模块,对上层软件模块提供基础服务,包括:

  • 虚拟交换模块,用于模块间通信;
  • 日志管理模块,用于日志记录、检索以及回放;
  • 进程监控模块,负责监视整个系统的运行状态,如果某个模块运行不正常则提示操作人员并自动采取相应措施;
  • 交互调试模块,负责开发人员与自动驾驶系统交互。
  • 底层有三个部分,分别是驱动、制动和转向,这里其实离不开与国外商用车厂家的支持。
  • 驱动的改造:对其整车控制器进行修改,负责整车系统管理和动力分配。在该基础上,实现了依靠CAN线通信控制油门开度;
  • 对制动的改造:采用电子刹车系统(EBS),可以根据需求减速度精确地提供制动力。依靠对车辆驱动和制动的改造,实现了定速巡航、电子驻车功能;
  • 对转向的改造:需要采用电控液压助力转向的开发预研,开启转向电控模式

2)客车自动驾驶的特点

比较而言,国内分别以10-12米客车以及通勤车为主,侧重于解决城市道路交通拥堵问题;国外目前仍然以中小型的自动驾驶巴士为主,并且测试、运营区域都基本处于一定封闭性的地方,并且主要应用于“解决最后一公里”的短途运输。

在客车自动驾驶的第一阶段在快速公交(Bus Rapid Transit & BRT)以公交为运输载体,能够迅速有效运输大量旅客。快速公交将车站,专用车辆,专用车道,公交服务和智能交通系统等的设计结合为统一的系统,由于存在专用车辆、专用车道,基本可以为国内的自动驾驶先进行初步的尝试。而在城市环境下,逐步在某些线路上实现自动驾驶则是未来为城市公交驾驶员短缺提供一种解决方案。

而在短驳的公里运行方面,则可能在大量的景观区域落地。通过加大运营间隔和运营的智能化来实现高效运输,以区隔于共享单车的潮汐问题。

研究周报策划的时候,本意也是按照月度去思考和拆解一些专题来弥补随笔文章的不足,在这里特别感谢邱总和Tina的帮助。回过头来看看这些文章还是写的不错的。

PS:写文章写的陪大羲小羲的时间都少了Sigh

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