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2019须弥山大会 欧阳明高:新能源汽车技术热点评述

收藏 评论 时间:2019-04-01 15:05 作者:综合报道 来源:EV世纪

三千大千世界,论道须弥山。2019年3月30日,第二届须弥山大会在江苏常州举行。会议由江苏省新能源汽车智慧能源装备创新中心(以下简称“国创能源”)主办,星星充电承办。会议围绕“智慧能源,电动时代”展开主旨探讨,与会嘉宾涵盖政产学研媒融八百多人。

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中国科学院院士,清华大学教授欧阳明高带来题为“新能源汽车技术热点评述”的演讲。

内容实录如下:

各位同行大家上午好,非常高兴在咱们国创能源主办的2019须弥山大会上与大家交流。今天交流的内容是针对最近一些热点问题做一些评述和展望。近期我们有三个问题比较热,第一个是纯电动的挑战与前景相关问题,今年春节期间,有一些纯电动车在冬季长途运行中暴露出的一些问题,同时前几天补贴下降50%的政策公布了,还有最近德国的三家车企掀起了一轮关于电动化讨论热潮,首先是德国大众的总裁要搞纯电动,结果是一片反对,受到很大压力,随后宝马奔驰、大众三个老总在一块,最后确定纯电动是他们要走的方向。

第二个是两会期间氢能成为非常大的热点,大家也知道,这次好像各界都有出来表态,汽车界、化工界、能源界、煤炭界、钢铁界等等。还有就是与我们今天的主题智慧能源相关的,智能电网和电动汽车协调发展,今天我想对这几个问题做一个评述。

关于第一个问题,我想首先我们要对纯电动的电池应该充满信心。我们中国确定纯电驱动技术转型路线是在2009年,应该说在全球确定比较早的。恰好从2009-2019年,锂离子动力电池从100瓦时/公斤增加到300瓦时/公斤。尤其它的体积能量接近每升800瓦时,应该说没有任何其他的电池能跟锂离子电池竞争。我们中国做纯电驱动技术转型战略的时机非常好,所以在这十年中国引领了全球纯电驱动的潮流,很多国际大企业对这么一个新的技术的估计偏低。因为以前车用电池百年没有大变化,没有想到锂离子电池的出现真正带来一次重大变革,可以说是动力电池领域百年未遇的大变革。而且现在发展还在持续,还有很大的潜力,我认为锂离子动力电池对汽车来讲可能会是一个主流技术。现在锂离子电池比能量越来越高,比方说电动轿车实际续驶里程到500公里都是没有问题的。国内电池进展也非常好,目前全球前10名电池企业有6名是中国,前3名中中国有2个。所以总的来看是不错的,但是中间有一个问题就是安全,比能量越提越高的时候,材料的热稳定性就变成一个问题。目前看锂离子单体电池材料本身完全杜绝热失控还不大现实,虽然我们一直在努力。我在清华专门建立了电池安全实验室,现在我的学生和博士后大概有30人做电池安全。我们的研究更多的还是要从电池系统角度来寻找方法,目前看是完全可以解决的。另一方面,从长计议,还要从材料层次着手,解决方式就是把电解质从液态逐步变成固态。但是这个过程可能经历一个相当长的阶段,不是一年两年就能解决。这是我们对未来电池技术路线图的展望,从正极材料会持续从高镍低钴到无钴,同时负极从碳到硅碳,到硅的比例逐步提高,这个也是确定的技术路线,当然最终核心的还是电解质从液态逐步减少有机溶剂,并向固体方向发展,这个可能需要5-10年时间才有可能达到这个目标。

对于大家担心的续航里程,一个方面是电池性能的提高,另一方面整车集成的效率也很重要,在同样的电池容量下,谁能走得最远,这是整车集成的第一核心技术。对电池而言安全是最重要的,对整车技术来讲节能是最重要的。包括高效的电驱动,高效的热管理,以及高效的整车集成,这些都是我们需要做的。最近出现了很多好的技术,比如说热泵对冬天续驶里程减少的抑制作用就非常强。此外我们要解决充电的问题,最近2019年政府工作报告和新补贴政策都向充电倾斜,说明这个问题很重要。目前充电技术应该说取得了很大的成绩,比如说互联互通,有序充电这些都有一系列的进步。从未来展望来看,我个人认为尤其是对乘用车来讲,主体是慢充。慢充有很多好处,尤其未来跟智能电网结合的时候,车一直插电,不光是为了充电,也为了平衡电网的波动,起到储能的作用,同时甚至还可以往电网回送电。所以慢充肯定是必须的,将来电动车一定会连在电网上的,这也是肯定的。快充只是应急用的,比如高速公路上的应用场景,只是少部分时间,比方说20%是快充。既然快充是一种应急辅助手段,我们就要考虑这种技术的投入成本。比如说我们现在为了快,可以换电,可以350千瓦快充。其实充电机的角度做多大都没问题。原先我们说有问题是因为怕对电网冲击大,现在没关系了,加一个储能电池,对电网就不会有什么冲击。所以充电机角度是没有问题,但整车和电池有麻烦。

首先,想要快充,不是充电机功率有多大?电池就能接受多大。最核心的是电池的倍率决定这个能不能实现,电池的充电倍率是一个瓶颈。现在随着比能量不断提高,我们极片做得越来越厚,极化越来越严重,所以倍率实际上是降低的。大家知道电池有能量型电池,功率型电池。功率性电池一般极片非常薄,所以极化非常小,倍率可以比较大,比如10C、20C、30C都可以,但是一个高比能量电池现在最高3C充电都很困难。当然还要考虑整车,比如说大功率充电就要高压,电压提高一倍。比如说提高到1000伏,对整车各方面影响非常大,这是基础性的影响。因为电压将改变一切,成本很高。因此针对应急快充,我们需要更多的技术创新。

我举几个例子,比如说现在保时捷做了350千瓦快充,但是它可以不提高电压,就是靠电池系统内部的串并联就可以解决,这就是很好的创新。再比如特斯拉推出250千瓦的超级快充,号称250千瓦,实际上并不是250千瓦一直充。实际上,SOC 10-20%的时候是240千瓦,但是到SOC 50%的时候就已经降到150千瓦,到70%的时候就已经降到100千瓦以内,只有88个千瓦。所以它的平均功率实际上只有120,130个千瓦,这已经很好了。120个千瓦相当于一个小时120度电,那也就是半个小时60度电,现在大多数的电动车也就是60度电。 它可以对特斯拉这个车一分钟充10公里,15分钟充电能够跑150公里,那已经完全可以了。应急不一定要把电池完全充满。SOC到了70%往下的时候,充电功率就急剧下降,时间当然拉的很长了,所以快充的时候,不是要把电池充到100%,充到100%是不可能很快的。最近还有一个很大的问题,冬天的充电很麻烦,大家都有体会,充不进去。这也有很多技术创新,比如说我们一般认为充电的过程中温度是逐步上升的,超级快充最大的限制因素就是温度,但是低温快充的时候可以反其道而行之,先把温度加上去,比如加到40度,在充电的过程中温度反倒是下降的,这就是跟我们一般的理念完全不一样。总之充电技术创新的空间还非常大。仅仅从充电机的角度是不行的,必须跟电池,跟整车紧密配合,为什么特斯拉能把充电器做好呢?就是因为他对电池及其熟悉,为什么保时捷能想出这个办法呢?因为它对车非常熟悉。

关于纯电动未来市场展望,第一是关于动力电池的需求和成本,这里给出了一个国外咨询公司的报告,表示到2027年,全球产量约10000亿瓦时。我根据已有的电动车电池装车历史数据和未来预测(包括储能市场),乐观估计会提前到2025年达到8000-10000亿瓦时。在2025年,成本大概是在每千瓦时100美元左右,这是常规家用电动汽车与燃油汽车实现性价比竞争的关键。另外,从车的角度来看,2025年也是一个非常大的突破点。最近国外大汽车公司转型的速度,要引起大家足够的重视,不光是奔驰,宝马,大众,美国通用最近放弃沃兰特插电增程车型,直接搞纯电动,也是跟德国三大汽车公司的想法很像的。总之,我的基本判断是2025年左右是实现大突破和爆发式增长的重要节点。

还有一种跟纯电动直接相关的车型,在城里纯电动,在高速公路混合动力。这种车型我认为也是很有前景的。如果装15度电左右,具备70公里,80公里的纯电里程,并且有自用慢充桩,在城里日常出行基本可以是纯电动,而且性能完全不受影响。而在高速公路转为并联混合动力。我叫它纯电动型的插电式混合动力,也就是所谓短途纯电动,长途油电混合,这也是很好的车型。这就可以解决我们春节回家长途出行的问题。尤其是到2020年之后,完全是市场驱动的时候,我想这种车型一定会受到亲睐。这种车有几个车厂在做,它的成本是可以跟普锐斯深度混合动力竞争的,因为它是单电机,不是双电机,单电机,单离合器,另外它用电比较多,平时80%-90%都是用电,只有10%-20%,是用油,综合成本是可以竞争的。

第二部分关于氢能燃料电池,这也是一个热点。首先我们要肯定的是燃料电池发动机已经取得重大技术进步,我今年过完春节就到丰田去了,丰田对我们非常开放。因为现在我们清华丰田研究院马上要成立,会在这方面进行全方位的合作。我的判断是燃料电池发动机技术三五年之后就会成熟。国内虽然有差距,但是进步很快,现在吸引资源很多,大家都到中国来了,所以前景是看好的,五年左右应该会与国际先进水平同步发展。车载储氢相对来说问题多一点,现在车载储氢主要是70兆帕氢瓶,是轿车储氢的主流技术。它的储氢体积能量密度是多少呢?大概每升0.8个千瓦时,刚才我说了,锂离子电池也是一样,锂离子单体电池的体积比能量也是可以接近每升800瓦时,也就是说,储氢跟储电的体积能量密度是大体相当的。当然了,我刚才说的是单体电池,如果是电池系统,差不多要降一半。但因为储氢能量要比纯电动储电能量大约要多一倍,为什么呢?因为燃料电池的效率是50%左右,对纯电动讲没有这个问题,电池的电直接就到电机去了,所以储电和储氢还是相当的。这样就有一个问题,燃料电池轿车的总体积是会大于纯电动的。因为燃料电池动力系统不光有储氢瓶,还有燃料电池发动机和辅助电池。所以燃料电池轿车的体积尤其对紧凑型轿车,这是一个挑战。当然对SUV可能不是一个问题,对重型卡车还有一个可能是采用液氢,但用到轿车上是很难的,因为轿车经常要放到地下车库,液氢会有蒸发。另外关于成本,目前储一公斤氢的70兆帕IV型瓶约1000美元,算下来储一个千瓦时氢能量大概200元人民币,如果按照有效能量每千瓦时400元人民币,这个跟十年前纯电动车发展初期的电池比大概1/8,跟现在的电池比大概是1/3,有成本优势。所以燃料电池汽车一次加氢续驶里程要比较长,如果短了,成本肯定比纯电动高。轿车至少500公里之上,卡车至少要200公里以上才能平衡,所以它是适合长途重载大型这样的车,比如商用车。中国燃料电池汽车主要就是做商用车,现在保有量3500辆商用车,全球第一。

我们现在面临的挑战是氢能技术落后于燃料电池技术。氢能技术如碱性电解槽电解水制氢、压缩制冷液化等都是很久以前发明的技术,成本偏高,效率偏低。这个在化工领域可以,到汽车领域就不太理想了,汽车是成本敏感型产品。现在怎么来解决成本问题?就只能废物利用,比如说上不了网的风电,利用不了的水电,把这些电用来制氢,或者是化工副产氢,这是经济可行的。但从长远看,我们还要发展新一代制氢技术,现在科学层面已经有一些突破,但是估计需要10年新一代的高效低成本制氢、运氢、储氢的技术才会逐步成熟。中间这十年应该是一个过渡。

为什么氢能这么热?我给大家一个解释。因为化工行业、钢铁行业、能源行业、煤炭行业、石化行业都跟氢相关。钢铁炼焦有氢气,化工氯碱生产副产氢气,煤气化产氢气,石油炼油用氢气等等。而这些行业目前是国家供给侧结构改革要压产能的一些行业,这些行业大概比汽车行业要大3倍以上,也就是大概30万亿的产值以上,仅化工和石化行业就约15万亿的产值。这么大的产业,要寻求绿色发展转型升级的出路,氢是一个很自然的选择。总之,氢能产业链非常长,利益相关者非常多,就业的人数众多,当然对产业推动是非常好的。

对未来燃料电池汽车发展展望,我仍然坚持已有的判断,2020年大概5000-10000辆,2025年,估计在5-10万辆。2030年目标是达到100万辆,注意这是保有量不是当年产量。这是2016年节能与新能源汽车技术路线图研究的结果,今年正在开始新一轮技术路线图修订,我目前判断这个数基本上还是这样。要让氢能大发展,我们不能仅仅定位在汽车行业,必须定位到整个能源化工领域,让氢能在更多领域发挥作用。我们新能源汽车涉及三个大领域,混合动力的核心还是热力发动机,本质上是热能工程领域(简称热工),主要带动传统汽车产业转型升级。今天会议的主题新能源汽车智慧能源更多侧重智能纯电动力系统,本质上属于电力与电子工程领域(简称电工),它带来的更多是对交通与电力行业颠覆性的变化。氢能燃料电池本质上属于能源化工领域(简称化工),它是传统能源化工产业转型升级与燃料电池这一能源领域新兴高科技产业的有机融合。

最后简单说说电动车规模应用带来的规模效应。就是电动汽车大规模应用为代表的能源消费革命,将推动以太阳能电池为代表的能源生产革命。根据节能新能源车技术路线图预测,2030年新能源汽车的市场大概占到40-50%,总量会8000万-1个亿。大家知道中国的可再生能源尤其是光伏也是发展非常快,即将与煤电平价,到2030年非化石能源发电也要占到接近50%。可再生能源的规模应用需要储能,电动车也需要太阳能等新能源,这两个是绝配,而且是同步发展。因此电动汽车与新能源协调互动非常重要。我们通过研究认为,近期的车与网的协同应以功率调节为主,电池浅充浅放,以需求响应的形式参与电网的调峰,类似于电动汽车中混合动力里电池的作用。从长远来看。随着电动车和可再生能源规模的不断扩大,不仅要功率调节,还要参与能量调节。也就是同时进行功率和能量调节,电池会深充深放,类似于纯电动汽车中电池的工作模式,电动车与分布式微网逐步构建起移动能源互联网。总之,这种互动会逐步从无序充电到有序充电,然后再到车网互动和融合。

当前大家对汽车未来趋势的共识是四化:电动化、智能化、网联化、共享化。我们现在说的共享化一般是滴滴出行等出行共享,我们说的网联都是车联网。但是我们要记住,电动汽车既是出行工具,也是能源装置。所以我们要从智能出行革命和新能源革命双重角度来看待网联化和共享化。网联化不仅是车联网,还有移动能源互联网。共享化不仅仅是出行共享,还有能源共享,将来所有的车都会挂在电网上,这也是一种共享。如果从出行共享角度大家都很悲观,认为将来汽车不要这么多了,因为有共享车。但从能源共享的角度看,电动车不仅仅是交通工具,还是一个赚钱机器,大家肯定还是乐意拥有车的,汽车的产量就不会下来,汽车的GDP还会继续上升。

我们现在进行的只是动力电动化的革命,很快有能源低碳化的革命,当然还有整车智能化的革命。现在的电动汽车只是新能源汽车的一个初级阶段,后面会经历新能源和智能化并行双向发展,进入新能源智能化电动汽车新时代。预计2025年是一个关键转折点,2035年会是初步进入成熟阶段的一个重要节点。我个人的判断是2035年左右会基本实现电气化,不是全面纯电动化,是说每辆车至少有一个参与驱动的电机,也即包括各种不同混合程度的混合动力。另外将基本全面实现能源低碳化,也就是非化石能源发电会是主体。第三个,基本全面实现智能化,也就是各种不同层次的自动驾驶。有人可能会不同意我这个判断,我想以全球最稳健的汽车公司日本丰田为例做进一步说明,从日本丰田公司电气化路线图可以看出,2035年,不包括微混合,丰田电气化车型也要占到90%,这算是一个印证吧。谢谢各位!

作者:综合报道
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