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【百人会】欧阳明高:中国新能源汽车技术路线展望
来源:汽车研究网 作者: 编辑:张婷 2019-01-12 字号   打印  收藏


中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长-欧阳明高

2019年1月11-13日,“中国电动汽车百人会论坛(2019)” 在北京钓鱼台国宾馆召开。本次论坛以 “汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题。围绕汽车零排放和电动化变革、能源转化及传统能源公司转型、未来交通和出行变革图景、下一代汽车关键技术发展、汽车智能化和网联化趋势、核心供应链培育、汽车生产组织方式变革、国际创新对接、产业政策调整等热点问题进行研讨。

在12日下午午进行的全球零排放与全面电动化大会上,中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长-欧阳明高发表了主题演讲。

欧阳明高:尊敬的万钢主席、苗圩部长、陈清泰理事长,各位同行,大家下午好!我介绍一下中国新能源汽车技术路线的展望。

我国新能源汽车技术路线经过了长时间的演变,从节能与新能源汽车到纯电驱动技术转型战略,再到新能源汽车强国战略。2018年11月,全国政协召开了“双周座谈会”,一些委员提出了一些新的建议,提出要面向2035年制定新能源汽车发展规划。我们首先从技术角度来展望一下未来的发展,我就纯电动力、混合动力、燃料电池以及电动化和新能源融合四个方面做一下展望。

第一,纯电动力的技术展望。

自2008年锂离子动力电池应用于电动汽车已经10年,实际装车产品的能量密度提高了2.5倍,实现了蓄电池领域百年来革命性的突破。2020年我们的目标是300瓦时/公斤,这是全球的共同目标,而中国也已经完全做好了准备。

从车用角度看,最重要的是体积能量密度而不是重量能量密度,锂离子电池在这个方面是最具优势的,现在的锂硫电池、锂空气电池,虽然理论重量能量密度比较高的,但体积能量密度目前还很难超越锂离子电池。在这个方面,我们认为锂离子电池具有成为动力电池主流技术的潜质和前景,但瓶颈是高比能量动力电池的安全性。2018年出现了一些安全事故,这些事故车辆使用的电池基本上是在2016年左右生产的,大概是NCM523体系。随着高镍的应用,电池的热稳定性将会变差,未来安全性风险会更大,所以必须采取手段来预防安全性问题。

首先,当前锂离子电池从单体层面完全杜绝热失控是不太现实的,我们可以从电池系统的热机电设计与控制设计来防止诱发和蔓延,即便单体出现热失控也不会发生事故。

其次,从改善电池本身安全性出发,要发展新型的固态电解质电池。最近我们与日本专家讨论,日本为应对中国和韩国电池产业的崛起,举全国之力研发下一代固态电池,每年政府经费达到50-100亿日元。美国和欧洲原有的电池产业是比较薄弱的,他们也在全力开发新一代固态电池,以实现超越。中国电池产业虽然暂时取得优势,但国际竞争压力巨大,需要全力追赶固态电池前沿技术。当前国内也有一些固态电池,但还不是全固态电池,全固态电池大规模商业化估计在2025-2030年(后以后)才会真正实现,需要我们持续的努力。

根据国内外的形势,“十三五”新能源汽车总体专家组提出了路线图的展望。总体看,电池正极发展方向是减钴到无钴,负极将是加硅,硅的含量将逐步提升,甚至是全硅。电解质要减少有机溶剂,逐步提高锂盐的浓度,但是未来可能要开发全固态电解质,但是全固态电解质目前还有很多技术瓶颈需要克服,需要逐步开展。

除了电池,大家目前关注的可能是续驶里程,解决了电池并不能解决续驶里程的全部问题,目前续驶里程已经从150公里提高到普遍300公里以上,但是客户的抱怨并没有减少,因为实际的续驶里程低于期望值。我本人也是电动车的用户,我深有感触,实际的续驶里程对气温和驾驶风格是非常敏感的。靠增大电池装载量来增加续驶里程不是根本出路,主流技术路线是提高电动汽车能效和充电便利性。

首先,在能效方面,高效电驱动系统的技术变革将会在未来5年发生,即电机驱动系统高速化、高效化、小型化,现在转速能够达到1.8万转/min,未来可能会到2万转/min;电机的体积、重量逐步减少,由于电机材料成本下降,电机成本也会下降。

其次,以碳化硅为代表的新一代高频、高效电力电子将普遍使用,这也将会支撑高速电机的发展,使电机向小型、高效、低成本方向发展。据了解,美国能源部最近提出,面向2025年极具挑战性的目标:电机达到50千瓦/L,电机控制器100千瓦/L。这个目标如果实现,将对电动车产生革命性的影响。

另外是热管理,新一代热泵空调技术已经取得重大突破,并开始产业化推广,现在已经有企业装车,这会降低对气温的敏感性,使冬季低温环境下续驶里程的损失比现在降低2/3,从30%降到10%。还有就是整车能效优化集成技术的突破,可以说电耗是整车集成技术水平最重要的指标,电动车的节能比燃油车更重要,应该采用法规来管理。日产聆风是一个标杆车型,小型车NEDC工况接近10度电/百公里,装载40-60度电可以行驶400-500公里,降低了电池的装载量。

再一个就是充电的便利性,一是充电体系的建设,二是快充技术的突破。中国是220伏的电压,非常适合小功率慢充。现在应该尽量使家用轿车都配置慢充桩,这将成为主体的供电模式,未来成为能源互联网的终端节点;10-15分钟的快速充电是必备的,但快充的定位是应急,不是主体充电的模式,快充占比大概承担15-20%。现在的350千瓦直流快充和换电代价都太大了,还不理想。预计今后5-7年,新一代与储能结合、安全可靠的快充技术将会出现,这一块创新空间很大。

面向未来,我们对电动汽车市场化路线图做一个简单展望。国内外研究显示,2025年电池系统的价格将会达到100美元/千瓦时左右,其实我国的磷酸铁锂会提前达到。基于全生命周期的成本,计算燃油汽车的价格和全生命周期的费用,燃油车和电动汽车将会持平,另外最严格的排放法规即将实施,燃油机的成本将会上升,拐点即将到来。我们认为在2025年左右,纯电动汽车性价比会实现大的突破。

特斯拉进入中国,这是当前对纯电动汽车市场最重大的事件。应该说,特斯拉的纯电动战略正在趋于成熟,它会带来重大的机遇和挑战。Modle3作为一个标杆车型,是特斯拉最成功的一个车型,也是全面进入家庭的一个车型,现在每个月量产2万台以上,尤其可贵的是它全面升级了动力系统的核心技术,包括电池、电机和智能化技术。总之,市场的开放和技术竞争将会加强技术创新,加速市场推广,加快成本下降。所以纯电动不是收缩和退出,而是抓住机遇,直面挑战。

第二,混合动力技术展望。

混合动力一般来讲是比较复杂的,尤其是对于非汽车、非发动机行业人来说,容易混淆。首先是常规混合动力,即不可充电的混合动力,日本丰田、本田、日产分别开发了代表性的深混技术,引领了国际常规混合动力的潮流。但我们也看到去年以来,日本试产串联式的日产E-power的销量和油耗可以跟普瑞斯的功率分流产品相媲美,这说明我们不一定要走功率分流的路线,对中国来讲串联相对简单。

另外就是可以外界充电的混合动力,我们叫插电式混合动力。插电式混合动力分成两个阶段,在电量维持阶段是常规混合动力。但充完电之后,率先使用的是电池,这一段非常重要。这要分为两个部分,一是纯电型插电式,就是全部用电,在充满电之后的第一阶段就是纯电动,但是还有部分是混合型插电,前面仍然是混合动力,比如20公里纯电续驶里程的普锐斯第一代插电混合就属于这种。我们认为,纯电插电混合动力在城区短途用电,高速、长途用油,根据中国的乘用车出行特征,可以省油80%以上,这是中国优势的技术路线,这是我国政府规定50公里以上的纯电续驶里程政策带来的一个红利。如果将纯电型的插电混合动力按功能和结构分开分析,其实有九类混合动力,纯电型混合动力既可以串联、并联,也可以混联。根据中国对的增程式定义,实际上是串联的纯电型插电混合动力,是纯电插电混合动力中的一类。中国可能主要是并联和串联两种,混联不会成为主流。

比较这两种方式发现,在混合动力模式下,并联纯电型相较于串联纯电型,具有成本和动力优势,国内领先企业正在着力探索低成本的纯电并联式插电混合动力,我认为这是一个非常值得关注的具有中国优势的技术路线。而且可以抗衡国外深度混合动力的常规混合动力。在成本上,由于并联单电机代替双电机,综合油耗较常规混合动力更大,从40%到80%,在成本上可以跟常规混合动力竞争。这能够解决中国长期以来对深度混合动力头疼问题。

如何实施混合动力技术路线?一是从燃油车升级转换后的节能汽车路线,常规混合动力到插电式混合动力。另外一个是从纯电动汽车转换的混合动力路线,纯电动到增程式和纯电型插电混合动力。具体来看,要通过模块化和平台化的发展,内燃机动力完全可以通过模块化发展到并联的三种构型,P2、P2.5和P3,最后发展成并联的纯电型插电混合动力。纯电动力系统方面,我们可以学习日产,发展串联混合动力,然后到燃料电池串联混合动力。我们也可以加上增程式的串联型插电式混合动力或者叫增程式电动汽车,总之,中国混合动力技术的特色和优势仍然是纯电驱动。当然纯电驱动包括纯电动,但不等于纯电动。

另外,必须提到的是混合动力的核心技术—发动机技术。目前国内用于混合动力发动机效率为35%-37%,国际水平38%-41%,距离内燃机的极限效率:柴油机大概55%,汽油机45-50%,还有很大空间,我们还需要大力创新。在混合动力发动机方面,现在国际上有效效率已经超过45%,主要的技术路径包括提高压缩比、稀薄燃烧增压和稀薄燃烧的压燃。值得一提的是增程式的电动汽车可能会是小功率的增程机,我们现在探索有转子发动机和自由对塞式发动机等等,从国际文献分析和自我研究的角度,我们认为主流的技术路线仍然是小排量四冲程的汽油机。

第三,燃料电池展望。

燃料电池首先的效益定位,奔驰公司给出的分析,即便选用的基础内燃机不差,内燃混合动力全生命周期4.2升,相当于车上的油耗大概3升,但在这种情况下,仍然是纯电动和燃料电池效益的碳排放更加优异。纯电动和燃料电池相比,当一次能源为天然气的时候,燃料电池效益高于纯电动,当一次能源为可再生能源的时候,燃料电池效益低于纯电动很多。另外只有基于可再生能源,才能实现近零碳排放。

燃料电池和纯电动的成本平衡点,韩国现代分析乘用车大概是500公里左右,商用车100公里左右。国内外的研究表明,氢燃料电池系统更适合替代柴油机,锂离子电池系统更适合替代汽油机。从应用定位来看,燃料电池系统是卡车和公路客车的长途运载工具的最佳选择,这个分析来自丰田公司,也是燃料电池技术路线最佳的推崇者,从2009年到2018年,纯电动汽车的适合里程范围虽然扩大了,但燃料电池仍然定位在长途的商用车领域,这给我们很多启示。

中国特色的技术路线是燃料电池、动力电池、混合型动力系统,中国开创了这条技术路线。燃料电池是国际的主流技术路线,中国燃料电池商业化已经开始,经过多年的示范,我们2017年底累计运行千辆,2018年年产超过1500辆,全国投入运营的加氢站达到12座,另外也有在建的。我们相信在中国的北方寒冷地区即SUV领域,燃料电池也具有竞争力。

燃料电池目前面临许多挑战,在燃料电池发动机层面主要是膜电机和空压机。另外氢能技术,尤其是车载储氢技术,比如说储氢的能量密度仍然是不高的。刚才我们看到锂离子电池的体积能量密度可以达到每升800瓦时,系统只能达到每升600瓦时,氢系统70兆帕的是每升800瓦时,必须发展新一代的每升1200千瓦时的高能量、低成本的这种储氢系统。目前的氢能技术落后于燃料电池技术,需要全链条各环节氢能技术有新的突破,比如说液化需要进一步降低能耗。我们预计在2025年到2030年会有新一代的氢能技术的出现。

总之,根据中国和全球氢能燃料电池技术的发展进程,我认为氢燃料电池汽车相比于纯电动汽车,产业化进程大约晚十年左右。在2020年,燃料电池混合动力将会成熟,商用车市场,预计在五千到一万辆,标志性的车型是燃料电池车。2025年,燃料电池技术将会成熟,推广累计将会达到五到十万辆,标志性的车型是燃料电池的大型SUV,目前长城汽车在这方面应该说走在前列。2030年,新一代氢能技术突破,制氢、储氢、运氢全方面突破,燃料电池技术在交通和能源领域推广达到100万辆,标志性车型是燃料电池的长途货运卡车,将会达到一千公里的长途货运能力,一百万公里的可靠性和耐久性。

总之,中国燃料电池产业链目前还很薄弱,但产业化态势全球最佳,已经吸引了全球相关资源的深度参与,预计今后五到十年,有可能达到与目前中国锂离子电池的国际地位相当的水平。

第四,电动化与新能源融合发展的展望。

我们目前叫电动车革命,即将发生的是新能源革命和人工智能革命。在整车智能化方面,我们更多是在谈驾驶智能化,共享出行,其实还有能源的智能化,能源互联网和车网的共享,如果从驾驶共享的角度看,车辆总数会降低,但是从能源共的角度,家家都应该有电动汽车,在家里晚上充电,白天卖电,来赚取差价,这样所有车辆的总量不会降低,汽车产业的GDP也不会降低,所以这将是我们未来的出路。

我重点要讲的是关于动力电动化之后的能源革命,电动化革命发展迅猛,中国首次在全球率先导入高科技领域,增长非常好。现在从孕育期、导入期进入成长期,还会到最后的高速成长期,我们认为在2020年之后,尤其是2025年之后,将会是突飞猛进的过程。根据中国汽车工程学会的预测,2030年是八千万到一亿辆,大家共同认为所有的销量指标都会提前到达,也就是说2025年,保有量就会达到五千万到八千万,这是极有可能的,我们必须提前做好准备,为能源革命做好准备。

大家知道光伏技术是中国的优势产业,现在效率普遍达到20%,下一步是30%。第三代光伏革命正在兴起,效率潜力巨大。中国光伏产业突飞猛进,分布式光伏引领发展。我们预计分布式光伏与电动汽车分布式储能的组合能源系统将构建未来能源交通体系,我们必须为电动车规模化之后的能源革命做好准备。分布式光伏储能动力电池、氢燃料电池及电动汽车相互需要,电动汽车需要新能源,新能源也需要电动汽车。“四位一体”的新能源系统,如果按照能源局的规划,2030年非化石能源发电比例为50%,新能源也是50%,电动汽车上的电池将是50亿度,再加上储能电池(比如50亿度),可以达到100亿度以上,中国每天消费的电也就是140亿度,电池电量就可以供应中国用电。这将是一场深刻的革命,也将带来几万亿到十几万亿的产业。

总之,面向2025年,我们展望电动化技术将会全方位的成熟,不管是锂离子电池还是燃料电池都会全方位成熟。新能源、可再生能源也是价格性价比的拐点,电动车也是性价比的拐点,两个拐点都会在2020年到2025年之间实现。这两个是天然的绝配组合,智能化也会突飞猛进,所以2025年左右是全方位突破的关键转折点。我们把新能源汽车分成三个阶段,第一个阶段是电动汽车,但不是真正的新能源汽车,到了第二阶段,新能源电动汽车就是真正的新能源汽车,到了第三个阶段就是新能源智能化电动汽车,就是我们最终的全方位革命的完成阶段。

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