欧阳明高深谈2035年新能源汽车技术趋势

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[汽车之家 行业 ] 1月12日,在2019中国电动汽车百人会论坛上,中国科学院院士欧阳明高谈到:2018年11月,全国政协召开了“双周座谈会”,一些委员提出要面向2035年制定新能源汽车发展规划。目前,有关2035年新能源汽车发展规划还没有发布。欧阳明高则从技术角度,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进行展望介绍。

欧阳明高深谈2035年新能源汽车技术趋势

『中国科学院院士欧阳明高』

■ 锂电池具有成为动力电池主流技术的潜质

欧阳明高介绍,自2008年锂离子动力电池应用于电动车已经10年,动力电池能量密度提高了2.5倍。2020年,全球动力电池能量密度目标基本都定在300Wh/kg,欧阳明高认为,我国已经完全做好了准备。

从车用角度看,动力电池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。他谈到,虽然2018年出现了一些安全事故,但事故车辆使用的电池基本上是2016年左右生产的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。当前,锂离子电池从单体层面完全杜绝热失控不太现实,但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。

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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。日本为应对中国和韩国电池产业的崛起,正在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比较薄弱,他们也在全力开发新一代固态电池。

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2030年以后才会真正实现。

总体来看,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。

■ 靠增大电池装载量增加续驶里程不是根本出路

除了电池,续驶里程也是业内目前最关注的问题。欧阳明高认为,解决了动力电池问题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。他认为,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。

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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。

同时,以碳化硅为代表的新一代高频、高效电力电子将普遍使用,也将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50kW/L,电机控制器100kW/L。这个目标如果实现,将对电动车产生革命性的影响。

另外,是热管理问题,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。

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最后,是充电便利性问题,包括充电体系的建设和快充技术的突破。欧阳明高认为,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,成为主体的供电模式,未来成为能源互联网的终端节点。同时,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%。

欧阳明高认为在2025年左右,纯电动车性价比会实现大的突破。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,这也会加快新能源汽车与燃油车性价比拐点的到来。

■ 纯电型插电是具有中国优势的技术路线

混合动力体系比较复杂,尤其是对于非行业人来说容易混淆。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。另一种是可以外界充电的混合动力,叫做插电式混合动力。

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插电式混合动力又分成纯电型插电和混合型插电,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。

欧阳明高认为,纯电型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。

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。欧阳明高认为,这是一个非常值得关注的具有中国优势的技术路线,可以抗衡国外深度混合动力的常规混合动力。

■ 氢燃料电池相比纯电动约晚十年左右

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,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。而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。

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关于燃料电池和纯电动的成本平衡点,现代汽车分析乘用车大概是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,丰田汽车认为,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。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。

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,2017年底累计运行近千辆,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。欧阳明高认为,在中国的北方寒冷地区,燃料电池也具有竞争力。

然而,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极和空压机。另外氢能技术有待提升,尤其是车载储氢技术。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。欧阳明高表示,预计在2025年到2030年会有新一代的氢能技术的出现。

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综合中国和全球氢能燃料电池技术的发展进程,欧阳明高认为,氢燃料电池汽车相比于纯电动车,产业化进程大约晚十年左右。在2020年,预计会有五千到一万辆的推广规模,标志性车型是燃料电池客车。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。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。

最后,欧阳明高指出,当前汽车产业所经历的时期是电动化革命,然而,电动化之后的能源革命更值得关注。中国汽车工程学会预测,2030年将有八千万到一亿辆电动车,必须提前为能源革命做好准备。他介绍,中国光伏产业突飞猛进,预计分布式光伏与电动车分布式储能的组合能源系统将构建未来能源网络,将二者结合有很大的想象空间。(文/汽车之家 肖莹)

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