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  • 歐陽明高:迎接新能源智能化電動汽車新時代

    • 2019-07-02 18:30
    • 來源:電車資源

    摘要:在7月2日的全體大會上,清華大學教授、中國科學院院士、世界新能源汽車大會科技委員會聯合主席歐陽明高發表了題為“迎接新能源智能化電動汽車新時代”的主題演講。

    2019年7月1-3日,由中國科學技術協會和海南省人民政府共同舉辦的“2019世界新能源汽車大會(WNEVC)”在海南博鰲召開,來自10多個國家和地區的政府部門及國際組織機構,100多家新能源整車及相關企業代表以及國內外各界嘉賓共1500余人齊聚博鰲,共襄盛會,圍繞“新時代 新變革 新產業”的主題,交流思想、分享經驗、凝聚共識、推動合作。電車資源作為本次大會的支持媒體,對大會進行專題報道。

    在7月2日的全體大會上,清華大學教授、中國科學院院士、世界新能源汽車大會科技委員會聯合主席歐陽明高發表了題為“迎接新能源智能化電動汽車新時代”的主題演講。

    歐陽明高:迎接新能源智能化電動汽車新時代

    清華大學教授 中國科學院院士

    世界新能源汽車大會科技委員會聯合主席歐陽明高

    以下為演講的主要內容:

    尊敬的陳清泰理事長,各位嘉賓,大家下午好。

    我想和大家分享的內容是:面向2035的中國新能源汽車技術路線展望。分三點介紹:

    第一,純電與純電驅動技術。我要表達的觀點是新能源汽車發展十年來,恰逢鋰離子電池能量密度從100Wh/kg提升到300Wh/kg,價格從5元/瓦時降低到現在最低0.8元/瓦時,實現了蓄電池領域百年來革命性突破。從轎車角度來看,體積能量密度比重量能量密度更加重要,鋰離子電池在體積能量密度是具有優勢的,其他的高比能量電池在這方面還無法和鋰離子電池競爭。我個人認為,鋰離子電池有望成為車用電池主流技術。當然隨著比能量的提高出現了一個問題就是安全性,一個主要且緊迫任務就是如何把安全的平衡點提升到300Wh/kg的高比能量電池。安全事故可以說是當前新能源汽車發展的致命隱患,必須盡快解決。安全事故的本質是電池的熱失控,有機械原因、電的原因、熱的原因等等,單體電池上出現的熱失控還不是致命的,關鍵是會引發整個電池系統熱失控蔓延,從而發生事故。

    我的團隊一直從事電池安全研究,我們建立了清華大學電池安全實驗室。經過近十年研究,發現了高比能量動力電池三種主要熱失控機理,第一種是負極析活性鋰;第二種是隔膜破壞導致內短路引發熱失控;第三種是高比能量電池正極釋活性氧,析氧溫度隨著比能量提升在下降。針對第一種機理和第二種機理防控主要是預防誘因,就是針對充電析鋰的電池快充控制和針對電池內短路的電池管理問題。內短路要通過電池管理手段提前預防,電池管理還有很多技術都會對熱失控電誘因進行預防,電池管理系統要升級為新一代以安全為核心的電池管理。基于第三個機理,也就是高鎳三元正極材料出現之后釋氧溫度下降的問題,核心要從單體電池設計尤其熱設計著手,正極材料的包覆、摻雜以及正極與電解液界面優化,如新一代電解液添加劑等等。如果這兩個措施還不能預防,就要上升到系統級的防控,即防熱失控蔓延抑制,就是針對熱蔓延的綜合熱管理,通過散熱、隔熱相結合的手段來解決。總之,鋰離子動力電池熱失控的主動防控是可以解決電池安全問題的。應當強調的是電池熱失控既是影響電動汽車可持續發展的生命線,也是市場競爭和品牌塑造的主旋律。新一代電動汽車不是靠動力性取勝,要靠安全性。誰安全可靠,讓用戶放心,誰將來才能贏得客戶,。

    基于前面的介紹,我本人對鋰離子動力電池在車用和儲能兩大領域的前景充滿信心,我認為會超出預期。我認為中國可能會提前幾年達到今天發布的博鰲共識中的目標,即2035年全球新能源汽車達到年度新車銷量的一半。根據《節能與新能源汽車技術路線》預測,我國2030年新能源汽車市場占有率目標就是45-50%,中國走在全球的全列。同時國際大公司大眾、寶馬、豐田的電動車大規模推出時間普遍提前了2-3年。交通工具的全面電動化也正在興起,比如說船,最近我看到一些領先公司已經開始做電動船,一個船裝1000-2000度電。同時還有儲能市場大規模爆發,因為可再生能源價格已經跟煤電相當了,中國可再生能源產業發達,僅光伏一年有1億kW裝機。基于這樣的基本趨勢,我個人判斷動力電池產業的發展規模可能會比幾年前國外權威咨詢公司的預測圖要樂觀。這張圖的預測值大概是在2027年左右,全球動力電池產量達到1萬億Wh。中國電池總需求量原有的估計是在2030年左右達到1萬億Wh。樂觀估計會提前2-3年,我們要為此做好充分的準備。

    另外一個革命性變化是高功率密度極小體積電機驅動系統給整車設計帶來革命性機遇。日本三菱最近公布了電機功率密度達到23kW/L,德國國家項目的目標是電機與控制模塊總體加起來功率密度達到100kW/L。另外慢充以前使用的是車載交流充電機,現在正在轉型為直流慢充,非車載的。我們前艙全部空出來了,我們和國外專家交流,他們正在研究這些對整車設計帶來的重大機遇。關于充電,慢充為主,結合儲能的快充補電將解決充電瓶頸問題。我個人始終認為慢充解決80%的充電需求,20%是快速補電,不是快充充滿。快速充滿是有安全風險的,快充補電可以速度很快,15分鐘充50%。寧德時代比這個指標還要好。

    據此,我對中國純電動汽車市場化路線圖大體預測是:2025年會出現性價比的轉折點,然后迎來大發展,國內領先公司,如BYD可能會提前達到。當然,2025年,電池每千瓦時100美元,價格650塊錢甚至還會更低。但如果要保證500公里續駛里程,保證春夏秋冬甚至跑高速,需要80-100度電,大概還得5、6萬塊錢。還有性價比更高的,就是在城區開車純電動,其實在城區駕駛所有車型中純電動性能最好,高速長途單電機并聯驅動,并聯驅動是高速公路綜合性能最好的一種驅動方式,可以把這兩個結合起來,比方說80公里的純電續航里程大概裝20度電,在城區20度電電池能夠放出的功率足夠驅動車跑到120公里/小時,而且是用單電機不是雙電機,簡化的傳動系統,成本相對低,還可以綜合節油80%以上。從長里程高性價比角度看,這是非常好的方案。目前這種系統跟常規雙電機深度混合動力還有1萬塊左右的成本差別,但是當我們的電池從目前的1塊多錢降成6毛多錢的時候,這個成本差異就只有3000-5000塊,這個差價可以通過用電替代油,燃料費省回來的。我把這種車叫純電型插電式混合動力。對這個名稱我要解釋一下。大家對增程式是不陌生的,因為人人都容易理解增程式是什么,一說到插電很多人就不知道是什么了。插電式就是可以外接充電的混合動力。有兩類,一類方式是在充滿電后,第一階段即電量下降的時候,不是純電動,是混合動力,這是混合型插電式混合動力。當電量下降到,比如30%,就進入電量保持階段,進入常規混合動力。另外一類插電混合動力是在前期電量下降階段,發動機不啟動,純電動運行,只有電量下降到一定程度之后,才進入常規混合動力。這就是純電型插電式混合動力。

    第二,關于氫能燃料電池,這也是現在非常熱門的話題,我先聲明一下,我本人的團隊既做純電動也做燃料電池,也做混合動力。如果說利益相關,三種都跟我相關,我說這個意思是,我想我應該會相對中立。燃料電池技術,剛才說到轎車可能是純電動為主體,凡是純電動能干的事,我覺得不要用燃料電池,因為性加比很難競爭。燃料電池干什么?干純電動不適合干的事情,比如說商用車、長途卡車等等,比如在北方冬季運行的大客車,還有物流車等等,這是可以的。所以我們說氫燃料電池更適合取代柴油機,鋰離子電池動力系統更適合取代汽油機。這是一種很通俗和粗略的說法。

    下面我重點說說燃料電池商用車,中國正好是燃料電池商用車的領先國家,我們商用車現在實際運行的大體估計有2000輛左右。我們的燃料電池混合動力還是比較成功的。面向2035,首先是氫燃料供應問題。大家知道商用車和乘用車所要求的氫用量差別很大,一個乘用車大概每年150公斤氫足夠,但是一個商用車就算是7.5噸物流車一年也要2噸氫,12米的大客車一年4噸左右氫,49噸的大卡車一年需要10噸氫。目前的氫產量完全滿足2035供氫需求。我國目前副產氫和棄光、棄風、棄水的電至少做到500萬噸,有人說是800萬噸甚至1000萬噸。

    燃料電池發動機技術面向2035可以滿足規模應用需求。再過5年,將會趨于成熟,大家到外面展臺看一下,展出了各種燃料電池產品和技術,最近這幾年中國燃料電池進展非常快,膜電極、電堆、發動機全產業鏈已經打通,全球資源向中國匯集。  

    問題在哪里呢?氫燃料電池商用車產業鏈瓶頸不在兩頭,在中間,就是車下運氫、車載儲氫和氫能加注。首先大家知道商用車對燃料成本非常敏感,比乘用車敏感。第二,耗氫量大,意味著車載氫瓶多,所以車載氫瓶在動力系統中體積最大,安全最敏感,成本即將變為最高,這是大家沒想到的。第三,加氫占用加氫站時間長,占地面積大,一個商用車本來體積就大,還有安全距離,使單站服務車數量減少為乘用車的1/3以下。大家知道我國一個加油站對應1650臺乘用車,但是商用車只能對應300多輛車,這二者是差別很大的。

    首先談談關于面向2035商用車為主百萬量級推廣的氫輸運瓶頸。 現在20兆帕長管拖車運氫,一個30噸的大卡車裝300-350kg氫,這從經濟角度是不能支撐氫能大規模發展的,急需轉型為300個大氣壓,逐步上升為500個大氣壓,減少運輸成本。還有大規模管道運氫。液態儲氫是有優勢,但是關鍵部件進口,建設周期較長,總體儲運能力不夠,現在全球氫液化工廠的總能力15-20萬噸,面向2035可能需要200、300萬噸,只占我們的十幾分之一。

    第二個是車載儲氫瓶,35MPa可以支撐城市公交250公里左右續駛里程,中級物流車300公里,70MPa城際客車400公里,重型物流車500公里。想裝得更多就是車載液氫和深冷氣氫,但是這個技術還要5年探索之后才能決定是不是具有大規模應用的可行性。

    第三個是加氫站瓶頸,全球360座加氫站,絕大多數都是小型站,最高每天1.25噸,中國16座,每天總加氫能力8噸,每個站500公斤,最高的是張家口加氫站。我的團隊建了中國第一個加氫站,就是北京永豐加氫站。現在張家口加氫站是全球加注能力最大的加氫站,每天1.5噸,服務50輛客車,因為每天都要加。按照2030供氫200-400萬噸,每天平均5000-10000噸,我取中間數是8000噸,是我說的現有8噸的1000倍。基于我國的經驗,綜合考慮各種因素,單站服務車輛數量如果全是中重型商用車上限就是100-200輛。怎么辦?辦法就是進一步提高動力系統效率,降低車的氫耗。第二,適當改變車型結構,也就是說不能全是商用車,大型SUV是可以的。現在都是規劃發展多少車,要求建多少加氫站。我們也可以反過來根據加氫能力來決定我們的車的規模。因此我對2016年路線圖做了一個小小的修改,2020年5000輛保持不變,我說的車是真正運行的車數量。 2025年前基于20PMa運氫,35MPa車載儲氫,各地因地制宜,輻射半徑150公里,車輛規模達到5-10萬輛。現在關鍵問題是從5-10萬輛上升到100萬輛,這要突破我剛才說的三個瓶頸,然后把各城市連接起來形成全國一條鏈。因為這個數字有不確定性,原先是2030年100萬輛,現在放寬變成2030-2035年實現。

    最后簡單說一下,新能源汽車與智能化和能源低碳化。有幾個數據,中國已經成為能源第一消費大國,人均消費3個省超過美國,7個省超過歐盟平均水平。《巴黎協定》目標2050年溫升不超過1.5度。為此中國相關規劃是煤炭2020年達峰,2025年石油達峰(7.2億噸),2030年碳達峰。我們要靠電動汽車和可再生能源結合來解決問題,尤其是推廣普及電動汽車與分布式可再生能源結合,構成未來能源交通一體化系統。以電動汽車大規模應用的能源消費革命推動以太陽能電池為代表的能源生產革命。

    除了動力電動化、還有整車智能化和能源低碳化,一共三大革命協同互動。現在說的汽車“四化”中網聯化和共享化,主要說的是信息革命,沒有說能源革命。其實能源也有網聯化和共享化,我們電動車可以構成移動能源互聯網,這是需要強調的。

    最后總結一下,展望2035,新能源汽車將從目前的電動汽車初級階段經歷新能源和智能化雙向并行發展,進入新能源智能化電動汽車新時代。謝謝各位。

    歐陽明高:迎接新能源智能化電動汽車新時代

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