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【百人會】歐陽明高:中國新能源汽車技術路線展望
來源:汽車研究網 作者: 編輯:張婷 2019-01-12 字號   打印  收藏


中國科學院院士、中國電動汽車百人會執行副理事長-歐陽明高

2019年1月11-13日,“中國電動汽車百人會論壇(2019)” 在北京釣魚臺國賓館召開。本次論壇以 “汽車革命與交通、能源、城市協同發展”為主題。圍繞汽車零排放和電動化變革、能源轉化及傳統能源公司轉型、未來交通和出行變革圖景、下一代汽車關鍵技術發展、汽車智能化和網聯化趨勢、核心供應鏈培育、汽車生產組織方式變革、國際創新對接、產業政策調整等熱點問題進行研討。

在12日下午午進行的全球零排放與全面電動化大會上,中國科學院院士、中國電動汽車百人會執行副理事長-歐陽明高發表了主題演講。

歐陽明高:尊敬的萬鋼主席、苗圩部長、陳清泰理事長,各位同行,大家下午好!我介紹一下中國新能源汽車技術路線的展望。

我國新能源汽車技術路線經過了長時間的演變,從節能與新能源汽車到純電驅動技術轉型戰略,再到新能源汽車強國戰略。2018年11月,全國政協召開了“雙周座談會”,一些委員提出了一些新的建議,提出要面向2035年制定新能源汽車發展規劃。我們首先從技術角度來展望一下未來的發展,我就純電動力、混合動力、燃料電池以及電動化和新能源融合四個方面做一下展望。

第一,純電動力的技術展望。

自2008年鋰離子動力電池應用于電動汽車已經10年,實際裝車產品的能量密度提高了2.5倍,實現了蓄電池領域百年來革命性的突破。2020年我們的目標是300瓦時/公斤,這是全球的共同目標,而中國也已經完全做好了準備。

從車用角度看,最重要的是體積能量密度而不是重量能量密度,鋰離子電池在這個方面是最具優勢的,現在的鋰硫電池、鋰空氣電池,雖然理論重量能量密度比較高的,但體積能量密度目前還很難超越鋰離子電池。在這個方面,我們認為鋰離子電池具有成為動力電池主流技術的潛質和前景,但瓶頸是高比能量動力電池的安全性。2018年出現了一些安全事故,這些事故車輛使用的電池基本上是在2016年左右生產的,大概是NCM523體系。隨著高鎳的應用,電池的熱穩定性將會變差,未來安全性風險會更大,所以必須采取手段來預防安全性問題。

首先,當前鋰離子電池從單體層面完全杜絕熱失控是不太現實的,我們可以從電池系統的熱機電設計與控制設計來防止誘發和蔓延,即便單體出現熱失控也不會發生事故。

其次,從改善電池本身安全性出發,要發展新型的固態電解質電池。最近我們與日本專家討論,日本為應對中國和韓國電池產業的崛起,舉全國之力研發下一代固態電池,每年政府經費達到50-100億日元。美國和歐洲原有的電池產業是比較薄弱的,他們也在全力開發新一代固態電池,以實現超越。中國電池產業雖然暫時取得優勢,但國際競爭壓力巨大,需要全力追趕固態電池前沿技術。當前國內也有一些固態電池,但還不是全固態電池,全固態電池大規模商業化估計在2025-2030年(后以后)才會真正實現,需要我們持續的努力。

根據國內外的形勢,“十三五”新能源汽車總體專家組提出了路線圖的展望。總體看,電池正極發展方向是減鈷到無鈷,負極將是加硅,硅的含量將逐步提升,甚至是全硅。電解質要減少有機溶劑,逐步提高鋰鹽的濃度,但是未來可能要開發全固態電解質,但是全固態電解質目前還有很多技術瓶頸需要克服,需要逐步開展。

除了電池,大家目前關注的可能是續駛里程,解決了電池并不能解決續駛里程的全部問題,目前續駛里程已經從150公里提高到普遍300公里以上,但是客戶的抱怨并沒有減少,因為實際的續駛里程低于期望值。我本人也是電動車的用戶,我深有感觸,實際的續駛里程對氣溫和駕駛風格是非常敏感的??吭齟蟮緋刈霸亓坷叢黽有煥锍灘皇歉境雎?,主流技術路線是提高電動汽車能效和充電便利性。

首先,在能效方面,高效電驅動系統的技術變革將會在未來5年發生,即電機驅動系統高速化、高效化、小型化,現在轉速能夠達到1.8萬轉/min,未來可能會到2萬轉/min;電機的體積、重量逐步減少,由于電機材料成本下降,電機成本也會下降。

其次,以碳化硅為代表的新一代高頻、高效電力電子將普遍使用,這也將會支撐高速電機的發展,使電機向小型、高效、低成本方向發展。據了解,美國能源部最近提出,面向2025年極具挑戰性的目標:電機達到50千瓦/L,電機控制器100千瓦/L。這個目標如果實現,將對電動車產生革命性的影響。

另外是熱管理,新一代熱泵空調技術已經取得重大突破,并開始產業化推廣,現在已經有企業裝車,這會降低對氣溫的敏感性,使冬季低溫環境下續駛里程的損失比現在降低2/3,從30%降到10%?;褂芯褪欽的芐в嘔杉際醯耐黃?,可以說電耗是整車集成技術水平最重要的指標,電動車的節能比燃油車更重要,應該采用法規來管理。日產聆風是一個標桿車型,小型車NEDC工況接近10度電/百公里,裝載40-60度電可以行駛400-500公里,降低了電池的裝載量。

再一個就是充電的便利性,一是充電體系的建設,二是快充技術的突破。中國是220伏的電壓,非常適合小功率慢充。現在應該盡量使家用轎車都配置慢充樁,這將成為主體的供電模式,未來成為能源互聯網的終端節點;10-15分鐘的快速充電是必備的,但快充的定位是應急,不是主體充電的模式,快充占比大概承擔15-20%。現在的350千瓦直流快充和換電代價都太大了,還不理想。預計今后5-7年,新一代與儲能結合、安全可靠的快充技術將會出現,這一塊創新空間很大。

面向未來,我們對電動汽車市場化路線圖做一個簡單展望。國內外研究顯示,2025年電池系統的價格將會達到100美元/千瓦時左右,其實我國的磷酸鐵鋰會提前達到?;諶芷詰某殺?,計算燃油汽車的價格和全生命周期的費用,燃油車和電動汽車將會持平,另外最嚴格的排放法規即將實施,燃油機的成本將會上升,拐點即將到來。我們認為在2025年左右,純電動汽車性價比會實現大的突破。

特斯拉進入中國,這是當前對純電動汽車市場最重大的事件。應該說,特斯拉的純電動戰略正在趨于成熟,它會帶來重大的機遇和挑戰。Modle3作為一個標桿車型,是特斯拉最成功的一個車型,也是全面進入家庭的一個車型,現在每個月量產2萬臺以上,尤其可貴的是它全面升級了動力系統的核心技術,包括電池、電機和智能化技術。總之,市場的開放和技術競爭將會加強技術創新,加速市場推廣,加快成本下降。所以純電動不是收縮和退出,而是抓住機遇,直面挑戰。

第二,混合動力技術展望。

混合動力一般來講是比較復雜的,尤其是對于非汽車、非發動機行業人來說,容易混淆。首先是常規混合動力,即不可充電的混合動力,日本豐田、本田、日產分別開發了代表性的深混技術,引領了國際常規混合動力的潮流。但我們也看到去年以來,日本試產串聯式的日產E-power的銷量和油耗可以跟普瑞斯的功率分流產品相媲美,這說明我們不一定要走功率分流的路線,對中國來講串聯相對簡單。

另外就是可以外界充電的混合動力,我們叫插電式混合動力。插電式混合動力分成兩個階段,在電量維持階段是常規混合動力。但充完電之后,率先使用的是電池,這一段非常重要。這要分為兩個部分,一是純電型插電式,就是全部用電,在充滿電之后的第一階段就是純電動,但是還有部分是混合型插電,前面仍然是混合動力,比如20公里純電續駛里程的普銳斯第一代插電混合就屬于這種。我們認為,純電插電混合動力在城區短途用電,高速、長途用油,根據中國的乘用車出行特征,可以省油80%以上,這是中國優勢的技術路線,這是我國政府規定50公里以上的純電續駛里程政策帶來的一個紅利。如果將純電型的插電混合動力按功能和結構分開分析,其實有九類混合動力,純電型混合動力既可以串聯、并聯,也可以混聯。根據中國對的增程式定義,實際上是串聯的純電型插電混合動力,是純電插電混合動力中的一類。中國可能主要是并聯和串聯兩種,混聯不會成為主流。

比較這兩種方式發現,在混合動力模式下,并聯純電型相較于串聯純電型,具有成本和動力優勢,國內領先企業正在著力探索低成本的純電并聯式插電混合動力,我認為這是一個非常值得關注的具有中國優勢的技術路線。而且可以抗衡國外深度混合動力的常規混合動力。在成本上,由于并聯單電機代替雙電機,綜合油耗較常規混合動力更大,從40%到80%,在成本上可以跟常規混合動力競爭。這能夠解決中國長期以來對深度混合動力頭疼問題。

如何實施混合動力技術路線?一是從燃油車升級轉換后的節能汽車路線,常規混合動力到插電式混合動力。另外一個是從純電動汽車轉換的混合動力路線,純電動到增程式和純電型插電混合動力。具體來看,要通過??榛推教ɑ姆⒄?,內燃機動力完全可以通過??榛⒄溝講⒘娜止剮?,P2、P2.5和P3,最后發展成并聯的純電型插電混合動力。純電動力系統方面,我們可以學習日產,發展串聯混合動力,然后到燃料電池串聯混合動力。我們也可以加上增程式的串聯型插電式混合動力或者叫增程式電動汽車,總之,中國混合動力技術的特色和優勢仍然是純電驅動。當然純電驅動包括純電動,但不等于純電動。

另外,必須提到的是混合動力的核心技術—發動機技術。目前國內用于混合動力發動機效率為35%-37%,國際水平38%-41%,距離內燃機的極限效率:柴油機大概55%,汽油機45-50%,還有很大空間,我們還需要大力創新。在混合動力發動機方面,現在國際上有效效率已經超過45%,主要的技術路徑包括提高壓縮比、稀薄燃燒增壓和稀薄燃燒的壓燃。值得一提的是增程式的電動汽車可能會是小功率的增程機,我們現在探索有轉子發動機和自由對塞式發動機等等,從國際文獻分析和自我研究的角度,我們認為主流的技術路線仍然是小排量四沖程的汽油機。

第三,燃料電池展望。

燃料電池首先的效益定位,奔馳公司給出的分析,即便選用的基礎內燃機不差,內燃混合動力全生命周期4.2升,相當于車上的油耗大概3升,但在這種情況下,仍然是純電動和燃料電池效益的碳排放更加優異。純電動和燃料電池相比,當一次能源為天然氣的時候,燃料電池效益高于純電動,當一次能源為可再生能源的時候,燃料電池效益低于純電動很多。另外只有基于可再生能源,才能實現近零碳排放。

燃料電池和純電動的成本平衡點,韓國現代分析乘用車大概是500公里左右,商用車100公里左右。國內外的研究表明,氫燃料電池系統更適合替代柴油機,鋰離子電池系統更適合替代汽油機。從應用定位來看,燃料電池系統是卡車和公路客車的長途運載工具的最佳選擇,這個分析來自豐田公司,也是燃料電池技術路線最佳的推崇者,從2009年到2018年,純電動汽車的適合里程范圍雖然擴大了,但燃料電池仍然定位在長途的商用車領域,這給我們很多啟示。

中國特色的技術路線是燃料電池、動力電池、混合型動力系統,中國開創了這條技術路線。燃料電池是國際的主流技術路線,中國燃料電池商業化已經開始,經過多年的示范,我們2017年底累計運行千輛,2018年年產超過1500輛,全國投入運營的加氫站達到12座,另外也有在建的。我們相信在中國的北方寒冷地區即SUV領域,燃料電池也具有競爭力。

燃料電池目前面臨許多挑戰,在燃料電池發動機層面主要是膜電機和空壓機。另外氫能技術,尤其是車載儲氫技術,比如說儲氫的能量密度仍然是不高的。剛才我們看到鋰離子電池的體積能量密度可以達到每升800瓦時,系統只能達到每升600瓦時,氫系統70兆帕的是每升800瓦時,必須發展新一代的每升1200千瓦時的高能量、低成本的這種儲氫系統。目前的氫能技術落后于燃料電池技術,需要全鏈條各環節氫能技術有新的突破,比如說液化需要進一步降低能耗。我們預計在2025年到2030年會有新一代的氫能技術的出現。

總之,根據中國和全球氫能燃料電池技術的發展進程,我認為氫燃料電池汽車相比于純電動汽車,產業化進程大約晚十年左右。在2020年,燃料電池混合動力將會成熟,商用車市場,預計在五千到一萬輛,標志性的車型是燃料電池車。2025年,燃料電池技術將會成熟,推廣累計將會達到五到十萬輛,標志性的車型是燃料電池的大型SUV,目前長城汽車在這方面應該說走在前列。2030年,新一代氫能技術突破,制氫、儲氫、運氫全方面突破,燃料電池技術在交通和能源領域推廣達到100萬輛,標志性車型是燃料電池的長途貨運卡車,將會達到一千公里的長途貨運能力,一百萬公里的可靠性和耐久性。

總之,中國燃料電池產業鏈目前還很薄弱,但產業化態勢全球最佳,已經吸引了全球相關資源的深度參與,預計今后五到十年,有可能達到與目前中國鋰離子電池的國際地位相當的水平。

第四,電動化與新能源融合發展的展望。

我們目前叫電動車革命,即將發生的是新能源革命和人工智能革命。在整車智能化方面,我們更多是在談駕駛智能化,共享出行,其實還有能源的智能化,能源互聯網和車網的共享,如果從駕駛共享的角度看,車輛總數會降低,但是從能源共的角度,家家都應該有電動汽車,在家里晚上充電,白天賣電,來賺取差價,這樣所有車輛的總量不會降低,汽車產業的GDP也不會降低,所以這將是我們未來的出路。

我重點要講的是關于動力電動化之后的能源革命,電動化革命發展迅猛,中國首次在全球率先導入高科技領域,增長非常好。現在從孕育期、導入期進入成長期,還會到最后的高速成長期,我們認為在2020年之后,尤其是2025年之后,將會是突飛猛進的過程。根據中國汽車工程學會的預測,2030年是八千萬到一億輛,大家共同認為所有的銷量指標都會提前到達,也就是說2025年,保有量就會達到五千萬到八千萬,這是極有可能的,我們必須提前做好準備,為能源革命做好準備。

大家知道光伏技術是中國的優勢產業,現在效率普遍達到20%,下一步是30%。第三代光伏革命正在興起,效率潛力巨大。中國光伏產業突飛猛進,分布式光伏引領發展。我們預計分布式光伏與電動汽車分布式儲能的組合能源系統將構建未來能源交通體系,我們必須為電動車規?;蟮哪茉錘錈齪米急?。分布式光伏儲能動力電池、氫燃料電池及電動汽車相互需要,電動汽車需要新能源,新能源也需要電動汽車?!八奈灰惶濉鋇男履茉聰低?,如果按照能源局的規劃,2030年非化石能源發電比例為50%,新能源也是50%,電動汽車上的電池將是50億度,再加上儲能電池(比如50億度),可以達到100億度以上,中國每天消費的電也就是140億度,電池電量就可以供應中國用電。這將是一場深刻的革命,也將帶來幾萬億到十幾萬億的產業。

總之,面向2025年,我們展望電動化技術將會全方位的成熟,不管是鋰離子電池還是燃料電池都會全方位成熟。新能源、可再生能源也是價格性價比的拐點,電動車也是性價比的拐點,兩個拐點都會在2020年到2025年之間實現。這兩個是天然的絕配組合,智能化也會突飛猛進,所以2025年左右是全方位突破的關鍵轉折點。我們把新能源汽車分成三個階段,第一個階段是電動汽車,但不是真正的新能源汽車,到了第二階段,新能源電動汽車就是真正的新能源汽車,到了第三個階段就是新能源智能化電動汽車,就是我們最終的全方位革命的完成階段。

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