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TECHNICAL ARTICLES我想和大家分享的內(nèi)容是:面向2035的中國新能源汽車技術(shù)路線展望。分三點(diǎn)介紹:
,純電與純電驅(qū)動(dòng)技術(shù)。我要表達(dá)的觀點(diǎn)是新能源汽車發(fā)展十年來,恰逢鋰離子電池能量密度從100Wh/kg提升到300Wh/kg,價(jià)格從5元/瓦時(shí)降低到現(xiàn)在低0.8元/瓦時(shí),實(shí)現(xiàn)了蓄電池領(lǐng)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(yōu)勢(shì)的,其他的高比能量電池在這方面還無法和鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)。我個(gè)人認(rèn)為,鋰離子電池有望成為車用電池主流技術(shù)。當(dāng)然隨著比能量的提高出現(xiàn)了一個(gè)問題就是安全性,一個(gè)主要且緊迫任務(wù)就是如何把安全的平衡點(diǎn)提升到300Wh/kg的高比能量電池。安全事故可以說是當(dāng)前新能源汽車發(fā)展的致命隱患,必須盡快解決。安全事故的本質(zhì)是電池的熱失控,有機(jī)械原因、電的原因、熱的原因等等,單體電池上出現(xiàn)的熱失控還不是致命的,關(guān)鍵是會(huì)引發(fā)整個(gè)電池系統(tǒng)熱失控蔓延,從而發(fā)生事故。
我的團(tuán)隊(duì)一直從事電池安全研究,我們建立了清華大學(xué)電池安全實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)過近十年研究,發(fā)現(xiàn)了高比能量動(dòng)力電池三種主要熱失控機(jī)理,種是負(fù)極析活性鋰;第二種是隔膜破壞導(dǎo)致內(nèi)短路引發(fā)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(duì)種機(jī)理和第二種機(jī)理防控主要是預(yù)防誘因,就是針對(duì)充電析鋰的電池快充控制和針對(duì)電池內(nèi)短路的電池管理問題。內(nèi)短路要通過電池管理手段提前預(yù)防,電池管理還有很多技術(shù)都會(huì)對(duì)熱失控電誘因進(jìn)行預(yù)防,電池管理系統(tǒng)要升級(jí)為新一代以安全為核心的電池管理。基于第三個(gè)機(jī)理,也就是高鎳三元正極材料出現(xiàn)之后釋氧溫度下降的問題,核心要從單體電池設(shè)計(jì)尤其熱設(shè)計(jì)著手,正極材料的包覆、摻雜以及正極與電解液界面優(yōu)化,如新一代電解液添加劑等等。如果這兩個(gè)措施還不能預(yù)防,就要上升到系統(tǒng)級(jí)的防控,即防熱失控蔓延抑制,就是針對(duì)熱蔓延的綜合熱管理,通過散熱、隔熱相結(jié)合的手段來解決。總之,鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э氐闹鲃?dòng)防控是可以解決電池安全問題的。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是電池?zé)崾Э丶仁怯绊戨妱?dòng)汽車可持續(xù)發(fā)展的生命線,也是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和品牌塑造的主旋律。新一代電動(dòng)汽車不是靠動(dòng)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(duì)鋰離子動(dòng)力電池在車用和儲(chǔ)能兩大領(lǐng)域的前景充滿信心,我認(rèn)為會(huì)超出預(yù)期。我認(rèn)為中國可能會(huì)提前幾年達(dá)到今天發(fā)布的博鰲共識(shí)中的目標(biāo),即2035年新能源汽車達(dá)到年度新車銷量的一半。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線》預(yù)測(cè),我國2030年新能源汽車*目標(biāo)就是45-50%,中國走在的全列。同時(shí)大公司大眾、寶馬、豐田的電動(dòng)車大規(guī)模推出時(shí)間普遍提前了2-3年。交通工具的全面電動(dòng)化也正在興起,比如說船,近我看到一些領(lǐng)xian公司已經(jīng)開始做電動(dòng)船,一個(gè)船裝1000-2000度電。同時(shí)還有儲(chǔ)能市場(chǎng)大規(guī)模爆發(fā),因?yàn)榭稍偕茉磧r(jià)格已經(jīng)跟煤電相當(dāng)了,中國可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá),僅光伏一年有1億kW裝機(jī)。基于這樣的基本趨勢(shì),我個(gè)人判斷動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模可能會(huì)比幾年前國外咨詢公司的預(yù)測(cè)圖要樂觀。這張圖的預(yù)測(cè)值大概是在2027年左右,動(dòng)力電池產(chǎn)量達(dá)到1萬億Wh。中國電池總需求量原有的估計(jì)是在2030年左右達(dá)到1萬億Wh。樂觀估計(jì)會(huì)提前2-3年,我們要為此做好充分的準(zhǔn)備。
另外一個(gè)革命性變化是高功率密度極小體積電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)給整車設(shè)計(jì)帶來革命性機(jī)遇。日本三菱近公布了電機(jī)功率密度達(dá)到23kW/L,德國國家項(xiàng)目的目標(biāo)是電機(jī)與控制模塊總體加起來功率密度達(dá)到100kW/L。另外慢充以前使用的是車載交流充電機(jī),現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)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(duì)整車設(shè)計(jì)帶來的重大機(jī)遇。關(guān)于充電,慢充為主,結(jié)合儲(chǔ)能的快充補(bǔ)電將解決充電瓶頸問題。我個(gè)人始終認(rèn)為慢充解決80%的充電需求,20%是快速補(bǔ)電,不是快充充滿。快速充滿是有安全風(fēng)險(xiǎn)的,快充補(bǔ)電可以速度很快,15分鐘充50%。寧德時(shí)代比這個(gè)指標(biāo)還要好。
據(jù)此,我對(duì)中國純電動(dòng)汽車市場(chǎng)化路線圖大體預(yù)測(cè)是:2025年會(huì)出現(xiàn)性價(jià)比的轉(zhuǎn)折點(diǎn),然后迎來大發(fā)展,國內(nèi)領(lǐng)xian公司,如BYD可能會(huì)提前達(dá)到。當(dāng)然,2025年,電池每千瓦時(shí)100美元,價(jià)格650塊錢甚至還會(huì)更低。但如果要保證500公里續(xù)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(jià)比更高的,就是在城區(qū)開車純電動(dòng),其實(shí)在城區(qū)駕駛所有車型中純電動(dòng)性能hao,高速長(zhǎng)途單電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng),并聯(lián)驅(qū)動(dòng)是高速公路綜合性能hao的一種驅(qū)動(dòng)方式,可以把這兩個(gè)結(jié)合起來,比方說80公里的純電續(xù)航里程大概裝20度電,在城區(qū)20度電電池能夠放出的功率足夠驅(qū)動(dòng)車跑到120公里/小時(shí),而且是用單電機(jī)不是雙電機(jī),簡(jiǎn)化的傳動(dòng)系統(tǒng),成本相對(duì)低,還可以綜合節(jié)油80%以上。從長(zhǎng)里程高性價(jià)比角度看,這是非常好的方案。目前這種系統(tǒng)跟常規(guī)雙電機(jī)深度混合動(dòng)力還有1萬塊左右的成本差別,但是當(dāng)我們的電池從目前的1塊多錢降成6毛多錢的時(shí)候,這個(gè)成本差異就只有3000-5000塊,這個(gè)差價(jià)可以通過用電替代油,燃料費(fèi)省回來的。我把這種車叫純電型插電式混合動(dòng)力。對(duì)這個(gè)名稱我要解釋一下。大家對(duì)增程式是不陌生的,因?yàn)槿巳硕既菀桌斫庠龀淌绞鞘裁矗徽f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(dòng)力。有兩類,一類方式是在充滿電后,階段即電量下降的時(shí)候,不是純電動(dòng),是混合動(dòng)力,這是混合型插電式混合動(dòng)力。當(dāng)電量下降到,比如30%,就進(jìn)入電量保持階段,進(jìn)入常規(guī)混合動(dòng)力。另外一類插電混合動(dòng)力是在前期電量下降階段,發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng),純電動(dòng)運(yùn)行,只有電量下降到一定程度之后,才進(jìn)入常規(guī)混合動(dòng)力。這就是純電型插電式混合動(dòng)力。
第二,關(guān)于氫能燃料電池,這也是現(xiàn)在非常熱門的話題,我先聲明一下,我本人的團(tuán)隊(duì)既做純電動(dòng)也做燃料電池,也做混合動(dòng)力。如果說利益相關(guān),三種都跟我相關(guān),我說這個(gè)意思是,我想我應(yīng)該會(huì)相對(duì)中立。燃料電池技術(shù),剛才說到轎車可能是純電動(dòng)為主體,凡是純電動(dòng)能干的事,我覺得不要用燃料電池,因?yàn)樾约颖群茈y競(jìng)爭(zhēng)。燃料電池干什么?干純電動(dòng)不適合干的事情,比如說商用車、長(zhǎng)途卡車等等,比如在北方冬季運(yùn)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(jī),鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng)更適合取代汽油機(jī)。這是一種很通俗和粗略的說法。
下面我重點(diǎn)說說燃料電池商用車,中國正好是燃料電池商用車的領(lǐng)xian國家,我們商用車現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行的大體估計(jì)有2000輛左右。我們的燃料電池混合動(dòng)力還是比較成功的。面向2035,首先是氫燃料供應(yīng)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(gè)乘用車大概每年150公斤氫足夠,但是一個(gè)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(chǎn)量*2035供氫需求。我國目前副產(chǎn)氫和棄光、棄風(fēng)、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(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)面向2035可以滿足規(guī)模應(yīng)用需求。再過5年,將會(huì)趨于成熟,大家到外面展臺(tái)看一下,展出了各種燃料電池產(chǎn)品和技術(shù),近這幾年中國燃料電池進(jìn)展非常快,膜電極、電堆、發(fā)動(dòng)機(jī)全產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)打通,資源向中國匯集。
問題在哪里呢?氫燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)鏈瓶頸不在兩頭,在中間,就是車下運(yùn)氫、車載儲(chǔ)氫和氫能加注。首先大家知道商用車對(duì)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(dòng)力系統(tǒng)中體積大,安全敏感,成本即將變?yōu)楦撸@是大家沒想到的。第三,加氫占用加氫站時(shí)間長(zhǎng),占地面積大,一個(gè)商用車本來體積就大,還有安全距離,使單站服務(wù)車數(shù)量減少為乘用車的1/3以下。大家知道我國一個(gè)加油站對(duì)應(yīng)1650臺(tái)乘用車,但是商用車只能對(duì)應(yīng)300多輛車,這二者是差別很大的。
首先談?wù)勱P(guān)于面向2035商用車為主百萬量級(jí)推廣的氫輸運(yùn)瓶頸。現(xiàn)在20兆帕長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫,一個(gè)30噸的大卡車裝300-350kg氫,這從經(jīng)濟(jì)角度是不能支撐氫能大規(guī)模發(fā)展的,急需轉(zhuǎn)型為300個(gè)大氣壓,逐步上升為500個(gè)大氣壓,減少運(yùn)輸成本。還有大規(guī)模管道運(yùn)氫。液態(tài)儲(chǔ)氫是有優(yōu)勢(shì),但是關(guān)鍵部件進(jìn)口,建設(shè)周期較長(zhǎng),總體儲(chǔ)運(yùn)能力不夠,現(xiàn)在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(gè)是車載儲(chǔ)氫瓶,35MPa可以支撐城市公交250公里左右續(xù)駛里程,中級(jí)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(gè)技術(shù)還要5年探索之后才能決定是不是具有大規(guī)模應(yīng)用的可行性。
第三個(gè)是加氫站瓶頸,360座加氫站,絕大多數(shù)都是小型站,高每天1.25噸,中國16座,每天總加氫能力8噸,每個(gè)站500公斤,高的是張家口加氫站。我的團(tuán)隊(duì)建了*yi個(gè)加氫站,就是北京永豐加氫站。現(xiàn)在張家口加氫站是加注能力大的加氫站,每天1.5噸,服務(wù)50輛客車,因?yàn)槊刻於家印?/span>按照2030供氫200-400萬噸,每天平均5000-10000噸,我取中間數(shù)是8000噸,是我說的現(xiàn)有8噸的1000倍。基于我國的經(jīng)驗(yàn),綜合考慮各種因素,單站服務(wù)車輛數(shù)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(jìn)一步提高動(dòng)力系統(tǒng)效率,降低車的氫耗。第二,適當(dāng)改變車型結(jié)構(gòu),也就是說不能全是商用車,大型SUV是可以的。現(xiàn)在都是規(guī)劃發(fā)展多少車,要求建多少加氫站。我們也可以反過來根據(jù)加氫能力來決定我們的車的規(guī)模。因此我對(duì)2016年路線圖做了一個(gè)小小的修改,2020年5000輛保持不變,我說的車是真正運(yùn)行的車數(shù)量。2025年前基于20PMa運(yùn)氫,35MPa車載儲(chǔ)氫,各地因地制宜,輻射半徑150公里,車輛規(guī)模達(dá)到5-10萬輛。現(xiàn)在關(guān)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(gè)瓶頸,然后把各城市連接起來形成全國一條鏈。因?yàn)檫@個(gè)數(shù)字有不確定性,原先是2030年100萬輛,現(xiàn)在放寬變成2030-2035年實(shí)現(xiàn)。
后簡(jiǎn)單說一下,新能源汽車與智能化和能源低碳化。有幾個(gè)數(shù)據(jù),中國已經(jīng)成為能源消費(fèi)大國,人均消費(fèi)3個(gè)省超過美國,7個(gè)省超過歐盟平均水平。《巴黎協(xié)定》目標(biāo)2050年溫升不超過1.5度。為此中國相關(guān)規(guī)劃是煤炭2020年達(dá)峰,2025年石油達(dá)峰(7.2億噸),2030年碳達(dá)峰。我們要靠電動(dòng)汽車和可再生能源結(jié)合來解決問題,尤其是推廣普及電動(dòng)汽車與分布式可再生能源結(jié)合,構(gòu)成未來能源交通一體化系統(tǒng)。以電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用的能源消費(fèi)革命推動(dòng)以太陽能電池為代表的能源生產(chǎn)革命。
除了動(dòng)力電動(dòng)化、還有整車智能化和能源低碳化,一共三大革命協(xié)同互動(dòng)。現(xiàn)在說的汽車“四化”中網(wǎng)聯(lián)化和共享化,主要說的是信息革命,沒有說能源革命。其實(shí)能源也有網(wǎng)聯(lián)化和共享化,我們電動(dòng)車可以構(gòu)成移動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng),這是需要強(qiáng)調(diào)的。
后總結(jié)一下,展望2035,新能源汽車將從目前的電動(dòng)汽車初級(jí)階段經(jīng)歷新能源和智能化雙向并行發(fā)展,進(jìn)入新能源智能化電動(dòng)汽車新時(shí)代。謝謝各位。
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