歐陽明高深談2035年新能源汽車技術(shù)趨勢
1月12日,在2019中國電動汽車委員會百人論壇上,中國科學(xué)院院士高表示:2021年11月,全國政協(xié)召開“雙周座談會”,有委員提出制定2035年新能源汽車發(fā)展規(guī)劃。目前,2035年新能源汽車發(fā)展規(guī)劃尚未發(fā)布。高從技術(shù)角度介紹了純電力、混合動力、燃料電池以及電氣化與新能源融合的前景。
中國科學(xué)院院士高
■鋰電池有潛力成為動力電池的主流技術(shù)。
高介紹,從2021年開始,鋰離子動力電池在電動汽車上應(yīng)用10年,動力電池的能量密度提高了2.5倍。2021年全球動力電池能量密度目標(biāo)基本定在300Wh/kg。高認為,中國已經(jīng)做好了充分準(zhǔn)備。
從車輛的角度來看,動力電池最重要的是體積能量密度,而不是重量能量密度。鋰離子電池在這方面最有優(yōu)勢。雖然目前鋰硫電池和鋰空氣體電池的理論重量能量密度相對較高,但體積能量密度仍難以超越鋰離子電池。他說,雖然2021年發(fā)生了一些安全事故,但事故車輛使用的電池基本都是2021年左右生產(chǎn)的NCM523系統(tǒng)。
隨著高鎳的應(yīng)用,電池的熱穩(wěn)定性會變差,未來的安全風(fēng)險會更大,因此必須采取措施防止安全問題。目前,鋰離子電池從單體層面完全消除熱失控是不現(xiàn)實的,但從電池系統(tǒng)的熱機械和電氣設(shè)計以及控制設(shè)計上可以防止誘發(fā)和蔓延,即使單體發(fā)生熱失控,也不會發(fā)生事故。
為了提高電池本身的安全性,應(yīng)該開發(fā)一種新型的固體電解質(zhì)電池。為了應(yīng)對中韓兩國電池產(chǎn)業(yè)的崛起,日本正在全國范圍內(nèi)努力研發(fā)下一代固態(tài)電池,政府每年支出50-100億日元。歐美原有的電池產(chǎn)業(yè)相對薄弱,也在全力研發(fā)新一代固態(tài)電池。
中國電池行業(yè)雖然暫時獲得了優(yōu)勢,但國際競爭壓力巨大,有必要追趕固態(tài)電池的前沿技術(shù)。目前國內(nèi)有一些固態(tài)電池,但并不都是固態(tài)電池。預(yù)計2030年后將實現(xiàn)全固態(tài)電池的大規(guī)模商業(yè)化。
一般來說,電池正極的發(fā)展方向是鈷還原到無鈷,負極會是加硅,硅的含量會逐漸增加,甚至全部是硅。電解液應(yīng)減少有機溶劑,逐步提高鋰鹽濃度,但全固態(tài)電解液未來可能會有發(fā)展,但仍有許多技術(shù)瓶頸需要逐步克服和發(fā)展。
■通過增加電池負載來增加續(xù)航里程不是根本出路。
除了電池,續(xù)航里程也是目前業(yè)界最關(guān)注的問題。高認為,解決動力電池問題并不能解決續(xù)航里程的所有問題。目前,行駛里程從150公里增加到300多公里,但客戶的投訴并沒有減少,因為實際行駛里程低于預(yù)期。他認為,通過增加電池負載來增加續(xù)航里程并不是根本出路,主流技術(shù)路線是提高電動汽車的能效和充電便利性。
能效方面,未來五年將發(fā)生高效電驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)變革,即電機驅(qū)動系統(tǒng)將高速、高效、小型化,現(xiàn)在轉(zhuǎn)速可達18,000 rpm,未來可能達到20,000 rpm。電機的體積和重量逐漸減小,電機的成本也會由于電機材料成本的降低而降低。
同時,以碳化硅為代表的新一代高頻高效電力電子將得到廣泛應(yīng)用,也將支持高速電機的發(fā)展,使電機向小尺寸、高效率、低成本方向發(fā)展。據(jù)了解,美國能源部最近為2025年提出了一個極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo):50kW/L電機和100kW/L電機控制器。如果這一目標(biāo)得以實現(xiàn),將對電動汽車產(chǎn)生革命性的影響。
此外,這是一個熱管理的問題。新一代熱泵空調(diào)制技術(shù)取得重大突破,開始產(chǎn)業(yè)化推廣?,F(xiàn)在有些企業(yè)安裝了汽車,會降低對溫度的敏感度,冬季低溫環(huán)境下的行駛里程損失降低2/3,從30%降到10%。
還有車輛能效優(yōu)化和集成技術(shù)的突破??梢哉f,動力消耗是車輛集成技術(shù)水平最重要的指標(biāo),電動汽車的節(jié)能比燃油汽車更重要,應(yīng)該通過法律法規(guī)進行管理。
最后是充電的便捷性,包括充電系統(tǒng)的搭建和快充技術(shù)的突破。高認為,中國是220伏電壓,這非常適合低功率慢充。現(xiàn)在要努力讓所有國產(chǎn)汽車都配備慢充電樁,這將成為未來的主要供電方式和能源互聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點。同時,10-15分鐘的快充是必須的,但快充的定位是應(yīng)急,不是主要的充電方式,快充約占15-20%。
歐陽明認為,純電動汽車的性價比將在2025年左右實現(xiàn)大突破。以生命周期成本為基礎(chǔ),計算燃油車、燃油車和電動車的價格和生命周期成本將是相等的。此外,最嚴格的排放法規(guī)即將實施,燃油車成本上升,也將加速新能源車與燃油車性價比拐點的到來。
■純電插電是一條具有中國優(yōu)勢的技術(shù)路線。
混合動力系統(tǒng)很復(fù)雜,尤其是非專業(yè)人士。常規(guī)混合動力,即非充電式混合動力,日本豐田、本田、日產(chǎn)分別開發(fā)了具有代表性的深混技術(shù),引領(lǐng)了常規(guī)混合動力的國際潮流。另一種是可以從外部充電的混合動力,稱為插電式混合動力。
插電式混合動力可分為純電動插電式和混合動力插電式。如果將純電插電式混合動力按其功能和結(jié)構(gòu)單獨分析,實際上混合動力有9種,可以串聯(lián)、并聯(lián)或并聯(lián)。按照國內(nèi)對增程式的定義,其實是串聯(lián)式純電插電式混合動力,是純電插電式混合動力的一種。國內(nèi)可能有并聯(lián)和串聯(lián)兩種,混合連接不會成為主流。
高認為,根據(jù)我國乘用車的出行特點,純電動插電式混合動力可以為城市地區(qū)節(jié)省80%以上的燃油用于短途用電、高速和長途用油。這是中國的優(yōu)勢技術(shù)路線,是政府50公里以上純電續(xù)航政策帶來的加分項。
對比這兩種模式發(fā)現(xiàn),在混動模式下,并聯(lián)純電型相比串聯(lián)純電型具有成本和動力優(yōu)勢,國內(nèi)龍頭企業(yè)正在努力探索低成本純電并聯(lián)插電式混合動力。高認為,這是一條非常值得關(guān)注的具有中國優(yōu)勢的技術(shù)路線,可以抗衡國外常規(guī)雜交的深雜交。
■氫燃料電池比純電電池晚十年左右。
燃料電池的第一個效益取向,奔馳給出的分析,即使基礎(chǔ)內(nèi)燃機,內(nèi)燃混動,生命周期為4.2升,相當(dāng)于車輛上3升左右的油耗,但在這種情況下,純電動和燃料電池的碳排放效益還是比較優(yōu)異的。與純電燃料電池相比,當(dāng)一次能源為天然氣時,燃料電池的效率高于純電燃料電池,當(dāng)一次能源為可再生能源時,燃料電池的效率遠低于純電燃料電池。
關(guān)于燃料電池和純電動汽車的成本平衡點,現(xiàn)代汽車分析乘用車約500公里,商用車約100公里。國內(nèi)外研究表明,氫燃料電池系統(tǒng)更適合替代柴油機,鋰離子電池系統(tǒng)更適合替代汽油機。
從應(yīng)用定位來看,豐田認為燃料電池系統(tǒng)是卡車和公路車的長途車的最佳選擇。2021年至2021年,雖然純電動汽車的適用里程范圍有所擴大,但燃料電池仍定位于長途商用車領(lǐng)域。
燃料電池是國際主流技術(shù)路線,我國燃料電池商業(yè)化已經(jīng)啟動。經(jīng)過多年的示范,2021年底已有近1000輛車在運行,2021年年產(chǎn)量超過1500輛。全國有12個加氫站在運行,其他正在建設(shè)中。高認為,燃料電池在中國北方寒冷地區(qū)也有競爭力。
然而,燃料電池目前面臨許多挑戰(zhàn),主要是燃料電池發(fā)動機級的膜電極和空壓機。此外,氫能技術(shù)有待提高,尤其是車載儲氫技術(shù)。目前氫能技術(shù)落后于燃料電池技術(shù),這就要求氫能技術(shù)在全鏈條的各個環(huán)節(jié)都有新的突破。高表示,預(yù)計2025年至2030年將出現(xiàn)新一代氫能技術(shù)。
結(jié)合國內(nèi)外氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展歷程,高認為,氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進程比純電動汽車晚十年左右。2021年預(yù)計將有5000到10000輛車推廣,燃料電池客車是標(biāo)志性車輛。2025年燃料電池技術(shù)成熟,推廣總數(shù)達到50萬到10萬。標(biāo)志性車型是一款搭載燃料電池的大型SUV。2030年,新一代氫能技術(shù)在制氫、儲氫、運氫各方面取得突破。燃料電池技術(shù)在交通和能源領(lǐng)域推廣到100萬輛,標(biāo)志性車輛是燃料電池長途貨運卡車。
最后,高指出,當(dāng)前汽車工業(yè)的時期是電氣化革命,但是,電氣化之后的能源革命更值得關(guān)注。中國汽車工程學(xué)會預(yù)測,2030年電動汽車將達到8000萬至1億輛,因此我們必須提前為能源革命做好準(zhǔn)備。他介紹,中國光伏產(chǎn)業(yè)突飛猛進,預(yù)計分布式光伏與電動汽車分布式儲能的聯(lián)合能源系統(tǒng)將構(gòu)建未來的能源網(wǎng)絡(luò),兩者結(jié)合的想象空間很大空。
>>點擊查看今日優(yōu)惠<<