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新能源汽车技术进展及未来趋势

2020-12-01 17:43
电车汇
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欧阳明高:新能源汽车技术进展及未来趋势

电车汇消息:中国电动汽车百人会论坛(2021)将在2021年1月15-17日在钓鱼台国宾馆召开。11月26日,百人会就论坛举办事宜举办了媒体沟通会,会上,中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高院士介绍了新能源汽车技术进展及未来趋势。

以下为发言速记:

今天我想前面讲一下今年在疫情冲击下新能源汽车的全球表现,最后说一下在绿色复苏时代背景下未来新能源汽车发展趋势。中间我想就三个技术热点问题和大家做交流:1、动力电池;2、氢能燃料电池;3、充电与换电。

2020年新能源汽车产业现状

今年前期疫情冲击非常大,对整个新能源汽车预期产生了一些影响,正在这个时期我们制定新能源汽车的发展规划,我参与了这个规划的制定。由于疫情的影响,规划草案新能源汽车产业化目标是2025年市场占有率达到25%,最终变成20%。但是现在看市场比我们想象的要好很多,国际对未来判断的乐观程度也超出我们想象。也就是说美国和欧盟一些领导人提的对2025年政策规划和判断比我们高一些。市场也比我们预期的要好一些,今年到现在为止,我们估计新能源汽车的产销量和去年不会有太大的变化,尤其是今年的车主要是私人买的,产品结构发生了很大的变化。新产品层出不穷,而且是各种档次的产品都有,从高端品牌到经济型全方位。

新能源汽车最开始产业化时我们曾经提出来“两头挤”的产业化推进战略,即从大客车和微型车两头推动逐步挤入中间的轿车市场。现在进入新阶段呈现新的“两头挤”格局,从高端和经济型电动车这两头正在挤向中间性价比车型市场。过去的发展历程证明我们以前的判断是正确的,现在的格局也是我们所期待的。

特斯拉进中国市场时,国家采用非常开放的态度,这个政策是正确的。它使很多犹豫的消费者打消了疑虑,对电动汽车产生了一个好的认知,特斯拉对新能源汽车做了一个很好的宣传。现在我们几个新造车势力合起来高端品牌超过特斯拉。五菱的经济型电动车销量也超过特斯拉。中高端的、家用的比亚迪品牌已经进入供不应求的状态。全球汽车企业市值前十名已经有几家中国新能源汽车企业了,这是前所未有的大突破。

产品技术方面,比亚迪新出来的汉是一个有代表性的产品,第一次采用刀片电池,使磷酸铁锂续航里程达到600公里以上。我也专门参观了比亚迪重庆的刀片电池工厂,电池做的像艺术品一样。大家有兴趣参观一下会感到震惊的,所有的工艺装备都是自己制造或集成。另外在电力电子方面汉采用了碳化硅,这是中国企业第一次采用碳化硅。而且是自己研发的碳化硅器件,自己的刀片电池,核心技术都是自己的。特斯拉的电池和电力电子都是集成的。比亚迪汉的电气系统总线电压已经达到650伏,这为快速充电提供了电气架构方面的平台支撑。电压提上去,很多技术要求都会提高。大家知道国外电动汽车一直说要提高电压、快速充电,但是当时我们就觉得电压提出以后门槛会变高,门槛变高对国内企业会有冲击,现在看来比亚迪已经走在前面。

动力电池发展现状

今年以来,电池安全仍然是一个关注的焦点,全国政协5月份专门开过一次关于电池安全的会,在世界新能源汽车大会上,国家质检总局专门召开了电池安全会议,这两个会议我都参加了,也做了主题报告。

目前应对安全问题的主要方式是从本征安全、主动安全、被动安全三个方面来解决。

所谓本征安全,就是电池安全是设计出来的、制造出来的,所以必须从设计、制造的角度,从根子上来提高安全水平,这就是本征安全,有的人也叫“本质安全”。

我们以前设计电池,对电池发生热失控的机理并不是很熟悉,尤其是当材料体系发生变化的时候。比如以前我们对磷酸铁锂电池还是清楚的,对三元电池在333、523时候也还是清楚的,但是到了622、811的时候,很多机理都发生变化,对新的机理需要进行科学研究和解释。我可以告诉大家,现在对高镍三元电池热失控机理,从科学层面上基本上搞清楚了。

这几年,我国在这方面的工作在全球是走在前面的,因为我们这里车最多,出现问题最早,当然应该最早把它探索出来。所以现在我们需要利用这些科学的原理把它实施到设计中,尤其是落实到制造过程中。现在很多电池生产线都是新的,新厂就会包括工艺参数的优化,包括整个工序过程中间的质量监控、品质控制等,比如不能混入杂质这种事,看上去很简单,实际做到并不容易。因为我们走在前人没有走过的路上,这个过程是真正创新驱动发展的过程,是需要探索的。

现在我们在比能量每公斤250瓦时以下的电池基本没有问题,重点攻关的是300瓦时/公斤的高镍三元电池。因为电池比能量越高,对安全设计的要求越高,技术门槛也高。当初攻关目标300瓦时,今年大家都做出来了,都是能达标的。但在实验室做出来能达标,并不等于大批量生产的质量控制完全能达标,还需要一个过程,预期这两年可以做到。

第二个是主动安全,电池卖给整车厂,就由整车厂管了。主动安全要靠控制,靠电池管理系统,要靠软件,要把使用边界控制好,不要出现不允许、超出边界的情况发生等等。

现在的问题是,主动安全的控制、监控与管理是整车厂承担的,但是整车厂对电池的理解总体上还没有完全到位,整车厂原来不搞电池,初期大多数是由电池厂帮助做。整车厂承担了这个责任,要有一个过程适应。

这一年重点抓主动安全,就是怎么监控、怎么提前发现问题,这个很重要。比方如何利用大数据和云控电池管理系统把故障提前发现,这是目前行业里面正在发展的,我的团队也大量和整车厂合作做这方面的事情。我想有个一两年整车厂的能力就完全上来了,现在走在前面的整车厂已经做的很好了。

下一步我们还要发展智能电池,这首先要从主动安全突破。

第三方面,被动安全。

一旦出了事,一旦有电池热失控之后,怎么让它不造成事故。可喜的是到目前电池事故还没有伤过人,但是影响非常大,烧起来影响就很大。我们现在要做的是通过被动安全,主要是热管理让它不烧起来,这是我们的目标。

有些情况难避免的,比方说车底下的电池包和路上的井盖相撞,这种极端情况是没有办法的。但是更多的情况下,我们让热失控不烧起来是可以做到的。从技术角度可以做到,但是从工程角度、从大规模应用角度目前还是偶尔会发生一些,但是应该越来越少。

大家今年关注电池的另一个热点是三元和磷酸铁锂技术路线之争。磷酸铁锂以前不能用于轿车,主要是体积比能量偏低。同样的体积装不了足够的电池使它跑到400公里以上。现在刀片电池技术使体积比能量提升了约50%,续驶里程能达到600公里,这是一个很大的突破。因为磷酸铁锂本身是比较安全的,寿命也很长,成本还低,就是比能量差一点,现在这个问题解决了,销量当然会大幅回升。大家知道最近三个月磷酸铁锂电池装车量都是同比上升100%以上,说明磷酸铁锂在轿车中间的使用在大幅度提升,而且从资源角度不需要稀有金属,是一个很好的突破,值得在轿车中间推广,它的成本也比三元电池低约20%。

我们看到了产品新趋势,但并不是说三元电池就不好,我们要均衡发展,三元和磷酸铁锂都要,通过高技术可以让三元安全。不管怎么说,我们还是需要在安全的基础上进一步提高比能量,这个方面我们还需要不断技术进步,科技创新是无止境的。

欧盟准备2025年实现电池全部自给,中国电池由于性价比很好,现在大量出口,但是全世界不可能永远用中国电池,所以技术竞争、技术竞赛永远都会持续下去。比如固态电池的竞争,科技创新的潜力是巨大的,所以我们还要不断创新、不断突破。

中国研究电池的人可能是全球最多的,中国和电池有关的技术人员可能要百万级别的。我们在这个领域有很大的潜力和优势,要继续发展这个优势。

国外对全球电池发展有一个预测,到2030年会从2018年的100亿G瓦时到2030年的2900亿G瓦时,什么概念?大概增长近30倍。我估计中国市场未来10年增长10倍,到2035年增长20倍是有可能的。

所以,电池技术和产业未来都将大有可为。

氢能燃料电池发展现状

今年氢能燃料电池也是大火的一年。这两年中国燃料电池取得了巨大进步,和五年前相比,各种性能指标都出现了大幅的提高。比方说寿命和五年前相比提升了300%,“十三五”初期是3000小时,现在普遍到12000小时。总之,燃料电池技术在中国的产业链已经建立起来,如果大家现在去看燃料电池展览会,会发现很多家都做的很好,说明这个产业已经起来了。例如亿华通产业链已经比较完整,包括发动机、电堆、膜电极、风电制氢等。我们认为技术很难的空压机,以前买国外的很贵,几十万一个,现在国产一两万块钱就可以了,而且跨国汽车公司也采购中国的燃料电池空压机。燃料电池膜以前几千块钱一平米,现在国产可以降到一千以内,这是很大的技术进步。

这个行业现在不是一个小行业,好多企业你追我赶,整车产品,尤其是商务车产品不比国外差,做的比国外好。所以我们对今年年底实现八千到一万辆的推广指标还是有信心的。国家的示范推广项目一旦开始,我估计明年会腾飞。

另外一块就是氢能产业链,一直延伸到我们车上的氢瓶,从氢瓶往前算这个产业链。由于燃料电池产业链的建立,燃料电池示范和产业化前景看好,所以也拉动了氢能产业链,但是这个产业链的自主化程度和技术水平,和燃料电池比还是有差距的。比方说70兆帕IV型瓶现在还是一个问题,虽然35兆帕的氢瓶已经不错了,价格也降下来。

另外加氢站目前有些关键设备还要进口。最近清华团队牵头在做冬奥会的氢能出行示范项目,好长时间我们一直在协调加氢站和氢安全的事,因为氢安全和纯电动安全不一样,更多在氢能领域,不在车内,所以对于氢安全和氢能的制储、运、加这些环节,现在需要大型能源企业的进入。中石化刚刚宣布要在全国加油站建立加氢设施,就是加油、加氢、加气同时,这是很好的。但是在技术研发方面我们还需要加强,比如我们现在压缩机,国外就有离子压缩机,国内就没有。现在国外的大企业也纷纷介入了,基本上全球和氢基础设施相关的企业都进入中国了,目前还要借助国际力量。

现在冬奥会北京张家口要建30个加氢站。现在刚定货,明年年底之前就要全部到位,规模很大。这次奥运会两千多辆氢燃料电池车,几十个加氢站。我相信今后几年氢燃料电池汽车从规模和量上会有一个很大的提升。

现在在张家口有250辆燃料电池公交车,运行非常好。大家知道北方地区冬天要取暖,氢燃料电池是很好的方式,用余热,纯电动要用很多电池也很多。在一些特殊场景燃料电池车有优势,但不是说它要和纯电动竞争,比方说轿车领域还是纯电动更有优势,但是在一些特殊领域,比方说在寒冷区域、大型商用车车型、氢气便宜的地方,氢燃料电池就有优势。在张家口我们可以做到每公斤氢30块钱,你要70块钱一公斤肯定是亏本的,是补不起的。30块钱一公斤氢,一辆12米大的车,一百公里5公斤氢,150块钱一百公里,比柴油还便宜。

下一步是氢燃料电池长途重卡的发展,但是还是需要经过一个阶段。核心的问题还是如何实现经济性。按照现在的估计,燃料电池未来十年应该成本降低百分之七八十,现在的主要问题是氢能这边如何降成本。

关于充电与换电

这也是今年非常热的一个话题。

我认为现阶段充电、换电要融合发展,不是非此即彼,这是我的一个基本态度。

换电,现阶段看对提高销量是有好处的,因为用户不就是担心电池贵、电池寿命不够长、电池不够安全、电池用完了不知道该怎么办吗?你甭管,电池给我,我把你的麻烦事全部解决,这当然对销量有好处。当然有的观点认为,电池价格会逐渐下降,将来一辆普通电动轿车的电池成本低于两万块钱,不用换,这是另外一种说法,作为一个参考。

我个人的看法,对于商用车,不管是大商用车还是共享车、出租车,原则上换电是一种不错的商业模式。对于私家车而言,中长期看最好的方式还是充电,平时在家或者单位慢充(将来搞车网互动),高速公路长途时超快补电。

我的理由是要看到V2G和大功率快充技术的发展后劲。现在国网已经开始在北京试验V2G车网互动充电模式了,私家车在家里充电时候,车网互动时候充电要花钱,但还可以卖电。现有的车网互动的志愿者已经做到充电和卖电平衡,好的还挣了钱。充电时候是电价低时充,卖电是电价高时卖。如果能够普及,谁还把电池给租赁公司让他赚钱呢?这个技术出来会是产生什么效应?

现在欧洲已经实施是350千瓦大功率快充。我们正在和企业联合开发超快充电系统,对一个续航600公里的车,5分钟补两百公里的电,这个在技术上是可以做到的,这种不充满的快速补电不会影响安全和寿命。中国的快充新标准也出来了,叫“超级充电”,中电联刚刚公布,中日联合发布的标准,2025年基本都可以提供这个服务了。所以看问题要看技术的前瞻性。

换电在哪里最有意义?是长途重型卡车。我认为今年可能是卡电动化的元年,公交车基本上电动化了,现在都饱和了,没有增量了。下面的增量从哪里来?卡车。

卡车以前认为是很难电动化的,现在用什么?换电。为什么卡车要换电呢?卡车用的电池太多了,装三百度电才跑一百六七十公里,跑五六百公里,得装一千度电,车上都拉电池了。另外车价太贵,谁要那个车。这么大的电池,到哪里去充电,得建多少充电站,我是拉货的,还在这里等你一小时,这是不可能的。所以卡车必须换电,跟轿车不一样。轿车是个备选项,卡车是必选项。

一旦换电,买车不买电池,这个车和传统车价格差不多,你到了换电站直接换电,五分钟,和加油一样快,另外车上装的电池少,就能更多拉货。

而电池可以由电池银行持有。电池银行有什么好处?这个电池银行足够大的时候,它就会拿到很便宜的电价,现在电力都开始交易了。电力交易就像股市一样,可高可低,可再生能源多了之后,负荷预测最准的能拿到最好的电价。比如什么时候要多少度电,结果到时候你说不要了,对不起你要赔。风电厂发电也是这样,你说什么时候能发多少电,如果发不出来你要赔。同时电池银行是大的储能装置,可以为电网储能,还可以卖电。另外有了这么大规模电池,可以从电池厂拿到便宜的电池,两边都挣钱。这样可以把成本降下来。

从目前看,换电卡车可以和柴油卡车进行商业竞争。卡车司机买的可不是轿车,豪华品牌一百万也买。卡车司机要算账,就是拉货的,必须要赚钱。按照目前电池价格综合成本看,重卡购置大概四五十万一辆,但是全生命周期的油费大概两三百万,所以油费是最大的成本。而电动卡车最大的优势就是能源费低,这是算得过账来的。我相信今后五年换电卡车电动化会形成高潮,现在很多地方都开始了。比方说港口、矿山,这是按照场景来,逐步是长途卡车。

今年我倡导由中电联牵头成立了“中国电动卡车换电联盟”,来推行互通互联互换,不可能一家把全部的换电站全垄断,这是不好的,必须有竞争,大家既然要竞争就要相互配合。你在这个地方换了,下个地方同样可以换,要标准化。这很重要,是我们建议政府高度重视的一件事。

新能源汽车的发展趋势

从长远看,新能源汽车2035的规划目标是到时新能源汽车就是市场主体产品,按照习主席提出的2030碳达峰,2060碳中和要求,这个目标必须达到,而且尽可能提前实现。最近英国首相提出了比较激进的电动化目标,主要是碳中和目标倒逼的结果。欧洲电动车市场现在上升的比中国还猛,为什么?当然和补贴有关,但还有一个很重要的驱动力就是碳排放法规,这是个更大的驱动力。在这样的情况下,电动车就不去跟传统车比价格了,因为它是个新物种,不是传统意义上的交通工具。新能源汽车是交通工具、储能装置、智能终端三位一体的产品,传统车只有一个交通工具的功能,新能源汽车多两种功能,为什么要和传统车比价格?而且碳税会使推广新能源汽车变的更有紧迫性,碳税市场即将开启。最近央行前行长发话,说碳市场是跟股票、证券一样的市场,将来的货币之锚,这就是百年未有之大变局,新能源汽车未来发展的预期会比我们想象的好。

我说一个相对乐观的国外的判断,他们认为2030年全球纯电动车会在三千万辆到三千五百万辆之间。我们国家如果按照2030年新能源汽车占比达到40-50%的话,那时汽车总产量达到3500万辆车是可能的,新能源汽车也超过了1500万辆。虽然具体数字和实际可能有所差别,但是符合趋势的。

我还要强调的是新能源汽车的重点是新能源。原先我们只说了电动化,没有说能源,你可以是煤发的电,但是在碳排放、碳中和的大背景下,我们必须转型强调新能源。新能源汽车使用新能源。

而新能源,如风电和光伏为什么不能大规模发展,因为它波动,电网受不了,要储能才能平衡电网。但是现在我们找不到特别合适的大规模储能方式,在用煤电调节,这显然是不合适的。所以新能源也需要大规模储能方式,靠什么?靠电动汽车。有人会问电动汽车行吗?

国网电动汽车公司算过,如果2040、2050年达到3亿辆电动轿车,车上的电池储存的总电量是多少?200亿度电。现在每天中国消费电量的总和就是200亿度。所以最终储能第一要靠纯电动车电池,第二靠燃料电池车的能源—氢能。为什么要搞燃料电池,是因为氢能,为什么要搞氢能,是因为可再生能源需要用氢能大规模长周期储能,这是氢能燃料电池立足的基本点。

当前,中国的碳净排放100亿吨,等于2050年巴黎会议规定的全球的碳排放指标。2060年要实现碳中和,碳中和就是净排放为零。多大的挑战压力?靠什么?首先靠能源体系的去碳化,能源体系的去碳化要靠新能源汽车储能,这就是下一步新能源汽车的目标。我现在讲报告常常以“新能源汽车与新能源革命”为题,用新能源汽车带动新能源革命,实现高质量发展。如果我们把新能源汽车规模化,再把新能源革命带动起来,传统的汽车、能源、化工行业都将发生天翻地覆的变化,真正实现汽车代替马车以来百年未有之大变局。

文章摘自 电车汇 20201201 发自北京

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