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欧阳明高:迎接新能源智能化电动汽车新时代

2019-7-8 11:40| 发布者: admin| 查看: 272| 评论: 0|来自: 中国电动汽车百人会

摘要: 我和大家分享的内容是:面向2035的中国新能源汽车技术路线展望。分三点介绍: 第一,纯电与纯电驱动技术。新能源汽车发展十年来,恰逢锂离子电池能量密度从100Wh/kg提升到300Wh/kg,价格从5元/瓦时降低到现在最低0.8 ...

我和大家分享的内容是:面向2035的中国新能源汽车技术路线展望。分三点介绍:

第一,纯电与纯电驱动技术。新能源汽车发展十年来,恰逢锂离子电池能量密度从100Wh/kg提升到300Wh/kg,价格从5元/瓦时降低到现在最低0.8元/瓦时,实现了蓄电池领域百年来革命性突破。

从轿车角度来看,体积能量密度比重量能量密度更加重要,锂离子电池在体积能量密度是具有优势的,其他的高比能量电池在这方面还无法和锂离子电池竞争。我个人认为,锂离子电池有望成为车用电池主流技术。当然随着比能量的提高出现了一个问题就是安全性,一个主要且紧迫任务就是如何把安全的平衡点提升到300Wh/kg的高比能量电池。安全事故可以说是当前新能源汽车发展的致命隐患,必须尽快解决。安全事故的本质是电池的热失控,有机械原因、电的原因、热的原因等等,单体电池上出现的热失控还不是致命的,关键是会引发整个电池系统热失控蔓延,从而发生事故。

我的团队一直从事电池安全研究,我们建立了清华大学电池安全实验室。经过近十年研究,发现了高比能量动力电池三种主要热失控机理,第一种是负极析活性锂;第二种是隔膜破坏导致内短路引发热失控;第三种是高比能量电池正极释活性氧,析氧温度随着比能量提升在下降。针对第一种机理和第二种机理防控主要是预防诱因,就是针对充电析锂的电池快充控制和针对电池内短路的电池管理问题。内短路要通过电池管理手段提前预防,电池管理还有很多技术都会对热失控电诱因进行预防,电池管理系统要升级为新一代以安全为核心的电池管理。基于第三个机理,也就是高镍三元正极材料出现之后释氧温度下降的问题,核心要从单体电池设计尤其热设计着手,正极材料的包覆、掺杂以及正极与电解液界面优化,如新一代电解液添加剂等等。如果这两个措施还不能预防,就要上升到系统级的防控,即防热失控蔓延抑制,就是针对热蔓延的综合热管理,通过散热、隔热相结合的手段来解决。总之,锂离子动力电池热失控的主动防控是可以解决电池安全问题的。应当强调的是电池热失控既是影响电动汽车可持续发展的生命线,也是市场竞争和品牌塑造的主旋律。新一代电动汽车不是靠动力性取胜,要靠安全性。谁安全可靠,让用户放心,谁将来才能赢得客户。

基于前面的介绍,我本人对锂离子动力电池在车用和储能两大领域的前景充满信心,我认为会超出预期。我认为中国可能会提前几年达到今天发布的博鳌共识中的目标,即2035年全球新能源汽车达到年度新车销量的一半。根据《节能与新能源汽车技术路线》预测,我国2030年新能源汽车市场占有率目标就是45-50%,中国走在全球的前列。同时国际大公司大众、宝马、丰田的电动车大规模推出时间普遍提前了2-3年。

交通工具的全面电动化也正在兴起,比如说船,最近我看到一些领先公司已经开始做电动船,一个船装1000-2000度电。

同时还有储能市场大规模爆发,因为可再生能源价格已经跟煤电相当了,中国可再生能源产业发达,仅光伏一年有1亿kW装机。基于这样的基本趋势,我个人判断动力电池产业的发展规模可能会比几年前国外权威咨询公司的预测图要乐观。这张图的预测值大概是在2027年左右,全球动力电池产量达到1万亿Wh。中国电池总需求量原有的估计是在2030年左右达到1万亿Wh。乐观估计会提前2-3年,我们要为此做好充分的准备。

另外一个革命性变化是高功率密度极小体积电机驱动系统给整车设计带来革命性机遇。日本三菱最近公布了电机功率密度达到23kW/L,德国国家项目的目标是电机与控制模块总体加起来功率密度达到100kW/L。另外慢充以前使用的是车载交流充电机,现在正在转型为直流慢充,非车载的。我们前舱全部空出来了,我们和国外专家交流,他们正在研究这些对整车设计带来的重大机遇。关于充电,慢充为主,结合储能的快充补电将解决充电瓶颈问题。我个人始终认为慢充解决80%的充电需求,20%是快速补电,不是快充充满。快速充满是有安全风险的,快充补电可以速度很快,15分钟充50%。宁德时代比这个指标还要好。

据此,我对中国纯电动汽车市场化路线图大体预测是:2025年会出现性价比的转折点,然后迎来大发展,国内领先公司,如BYD可能会提前达到。当然,2025年,电池每千瓦时100美元,价格650块钱甚至还会更低。但如果要保证500公里续驶里程,保证春夏秋冬甚至跑高速,需要80-100度电,大概还得5、6万块钱。还有性价比更高的,就是在城区开车纯电动,其实在城区驾驶所有车型中纯电动性能最好,高速长途单电机并联驱动,并联驱动是高速公路综合性能最好的一种驱动方式。可以把这两个结合起来,比方说80公里的纯电续航里程大概装20度电,在城区20度电电池能够放出的功率足够驱动车跑到120公里/小时,而且是用单电机不是双电机,简化的传动系统,成本相对低,还可以综合节油80%以上。从长里程高性价比角度看,这是非常好的方案。目前这种系统跟常规双电机深度混合动力还有1万块左右的成本差别,但是当我们的电池从目前的1块多钱降成6毛多钱的时候,这个成本差异就只有3000-5000块,这个差价可以通过用电替代油,燃料费省回来的。我把这种车叫纯电型插电式混合动力。对这个名称我要解释一下。大家对增程式是不陌生的,因为人人都容易理解增程式是什么,一说到插电很多人就不知道是什么了。插电式就是可以外接充电的混合动力。有两类,一类方式是在充满电后,第一阶段即电量下降的时候,不是纯电动,是混合动力,这是混合型插电式混合动力。当电量下降到比如30%,就进入电量保持阶段,进入常规混合动力。另外一类插电混合动力是在前期电量下降阶段,发动机不启动,纯电动运行,只有电量下降到一定程度之后,才进入常规混合动力。这就是纯电型插电式混合动力。

第二,关于氢能燃料电池,这也是现在非常热门的话题,我先声明一下,我本人的团队既做纯电动也做燃料电池,也做混合动力。如果说利益相关,三种都跟我相关,我说这个意思是,我想我应该会相对中立。燃料电池技术,刚才说到轿车可能是纯电动为主体,凡是纯电动能干的事,我觉得不要用燃料电池,因为性加比很难竞争。燃料电池干什么?干纯电动不适合干的事情,比如说商用车、长途卡车等等,比如在北方冬季运行的大客车,还有物流车等等,这是可以的。所以我们说氢燃料电池更适合取代柴油机,锂离子电池动力系统更适合取代汽油机。这是一种很通俗和粗略的说法。

下面我重点说说燃料电池商用车,中国正好是燃料电池商用车的领先国家,我们商用车现在实际运行的大体估计有2000辆左右。我们的燃料电池混合动力还是比较成功的。面向2035,首先是氢燃料供应问题。大家知道商用车和乘用车所要求的氢用量差别很大,一个乘用车大概每年150公斤氢足够,但是一个商用车就算是7.5吨物流车一年也要2吨氢,12米的大客车一年4吨左右氢,49吨的大卡车一年需要10吨氢。目前的氢产量完全满足2035供氢需求。我国目前副产氢和弃光、弃风、弃水的电至少做到500万吨,有人说是800万吨甚至1000万吨。

燃料电池发动机技术面向2035可以满足规模应用需求。再过5年,将会趋于成熟,大家到外面展台看一下,展出了各种燃料电池产品和技术,最近这几年中国燃料电池进展非常快,膜电极、电堆、发动机全产业链已经打通,全球资源向中国汇集。  

问题在哪里呢?氢燃料电池商用车产业链瓶颈不在两头,在中间,就是车下运氢、车载储氢和氢能加注。首先大家知道商用车对燃料成本非常敏感,比乘用车敏感。第二,耗氢量大,意味着车载氢瓶多,所以车载氢瓶在动力系统中体积最大,安全最敏感,成本即将变为最高,这是大家没想到的。第三,加氢占用加氢站时间长,占地面积大,一个商用车本来体积就大,还有安全距离,使单站服务车数量减少为乘用车的1/3以下。大家知道我国一个加油站对应1650台乘用车,但是商用车只能对应300多辆车,这二者是差别很大的。

首先谈谈关于面向2035商用车为主百万量级推广的氢输运瓶颈。现在20兆帕长管拖车运氢,一个30吨的大卡车装300-350kg氢,这从经济角度是不能支撑氢能大规模发展的,急需转型为300个大气压,逐步上升为500个大气压,减少运输成本。还有大规模管道运氢。液态储氢是有优势,但是关键部件进口,建设周期较长,总体储运能力不够,现在全球氢液化工厂的总能力15-20万吨,面向2035可能需要200、300万吨,只占我们的十几分之一。

第二个是车载储氢瓶,35MPa可以支撑城市公交250公里左右续驶里程,中级物流车300公里,70MPa城际客车400公里,重型物流车500公里。想装得更多就是车载液氢和深冷气氢,但是这个技术还要5年探索之后才能决定是不是具有大规模应用的可行性。

第三个是加氢站瓶颈,全球360座加氢站,绝大多数都是小型站,最高每天1.25吨,中国16座,每天总加氢能力8吨,每个站500公斤,最高的是张家口加氢站。我的团队建了中国第一个加氢站,就是北京永丰加氢站。现在张家口加氢站是全球加注能力最大的加氢站,每天1.5吨,服务50辆客车,因为每天都要加。按照2030供氢200-400万吨,每天平均5000-10000吨,我取中间数是8000吨,是我说的现有8吨的1000倍。基于我国的经验,综合考虑各种因素,单站服务车辆数量如果全是中重型商用车上限就是100-200辆。怎么办?办法就是进一步提高动力系统效率,降低车的氢耗。第二,适当改变车型结构,也就是说不能全是商用车,大型SUV是可以的。现在都是规划发展多少车,要求建多少加氢站。我们也可以反过来根据加氢能力来决定我们的车的规模。因此我对2016年路线图做了一个小小的修改,2020年5000辆保持不变,我说的车是真正运行的车数量。2025年前基于20PMa运氢,35MPa车载储氢,各地因地制宜,辐射半径150公里,车辆规模达到5-10万辆。现在关键问题是从5-10万辆上升到100万辆,这要突破我刚才说的三个瓶颈,然后把各城市连接起来形成全国一条链。因为这个数字有不确定性,原先是2030年100万辆,现在放宽变成2030-2035年实现。

最后简单说一下,新能源汽车与智能化和能源低碳化。有几个数据,中国已经成为能源第一消费大国,人均消费3个省超过美国,7个省超过欧盟平均水平。《巴黎协定》目标2050年温升不超过1.5度。为此中国相关规划是煤炭2020年达峰,2025年石油达峰(7.2亿吨),2030年碳达峰。我们要靠电动汽车和可再生能源结合来解决问题,尤其是推广普及电动汽车与分布式可再生能源结合,构成未来能源交通一体化系统。以电动汽车大规模应用的能源消费革命推动以太阳能电池为代表的能源生产革命。

除了动力电动化、还有整车智能化和能源低碳化,一共三大革命协同互动。现在说的汽车“四化”中网联化和共享化,主要说的是信息革命,没有说能源革命。其实能源也有网联化和共享化,我们电动车可以构成移动能源互联网,这是需要强调的。

最后总结一下,展望2035,新能源汽车将从目前的电动汽车初级阶段经历新能源和智能化双向并行发展,进入新能源智能化电动汽车新时代。  


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