1月20-21日, 以 '把握全球变革趋势 实现高质量发展' 为主题的中国电动汽车百人会论坛 (2018) 在北京举行. 中国电动汽车百人会执行副理事长, 中国科学院院士欧阳明高表示, 从新能源汽车增长的态势来看, 目前市场55%都是纯电动的乘用车, 他重点针对纯电动乘用车进行分析并提出相关建议. 汇报分为三个部分, 一是高比能量锂离子电池技术, 二是电动汽车能耗与节能技术, 三是快充与充电网智能化技术.
中国电动汽车百人会执行副理事长, 中国科学院院士欧阳明高
第一部分, 高比能量锂离子电池技术.
十二五以来, 我国电动汽车动力电池已经取得重大进展, 从十五到十三五, 逐步走向快速发展的道路. 动力电池系统比能量在逐年提升, 成本在不断下降.
基于国产高镍正极材料, 尤其NCM622材料, 2017年底方壳电池单体能量密度超过200瓦时/公斤, 全部电池单体能量密度在230±20瓦时/公斤.
基于新一代动力电池热失控防控技术, 2017年底电池系统能量密度接近160瓦时/公斤, 比方单体能量密度为195瓦时/公斤的三元方壳电池系统能量密度达到158瓦时/公斤, 单体能量密度200瓦时/公斤电池能做到160瓦时/公斤, 质量成组效率可以达到77%, 循环寿命超过3000次, 其中很重要的就是热失控防范技术, 如果没有该技术, 这么高的比能量是很难做到的, 因为单体电池要完全杜绝热失控, 目前还是非常困难的, 所以必须要从系统角度来防范热失控的蔓延.
下面进一步对专项里面研发进展做一个简单介绍.
宁德时代新能源, 力神, 国轩承担新型锂离子动力电池项目, 采用高镍三元正极和硅碳负极, 软包电池能量密度都达到了300瓦时/公斤, 其中部分样品的性能指标已经接近应用要求, 这里 (图) 我展示的是宁德时代新能源B样的一些指标, 基本上接近使用要求. 有些单位动力电池的安全性还不能完全满足国标, 宁德时代已经都通过, 这是安全性检测 (图) .
从国际来看, 2020年前全球的目标基本上都是300瓦时/公斤, 国内外的技术研发基本处于同一水平, 但是安全性的研究尚待加强. 可以看出 (图) , 日韩目标与我国还是不太一样, 他们更多的是追求体积比能量, 因为对轿车来讲体积比能量可能会更加重要, 他们一般都是叫体积比能量, 质量比能量他们反而没概念, 松下280瓦时/公斤电池体积比能量要做到720瓦时/升. 日韩质量比能量目标在270瓦时/公斤, 280瓦时/公斤的比较多, 这个目标在2020年前可以实现并产业化.
另外一方面, 2017年是固态电池最火热的一年, 我们对这方面也要做一些点评. 这 (图) 是国内各个单位所开发的固态电池的指标, 我在这里不详细介绍, 值得一提的是, 中科院宁波材料所与赣锋锂业在携手计划2020年产品进入市场, 其他的应该说科研单位较多.
全球固态电池2017年全面升温, 日本在无机硫化物固态电解质方面取得重要突破, 丰田公司出台固态电池量产计划, 在2022年实现商品化. 当然, 我们还要等几年看看是不是能够如期的产业化, 目前的重量比能量是200瓦时/公斤, 体积比能量是400瓦时/升. 固态电池除非能够在内部进行串联连接, 才有可能提高系统的比能量, 也就是电池变成双极性的, 目前由于要加入部分液态电解质, 所以串联多了之后会导致内部的电解液流出而引起短路, 所以现在内部串联不是很多.
一年来, 以无机硫化物固体电解质为核心的固态锂离子电池取得重要进展, 但受到固固界面稳定性和金属锂负极可充性问题的制约, 真正的全固态锂金属电池技术还远未成熟. 我们认为固态电池的发展技术路线, 从电解质的角度会从液态, 半固态, 固液混合, 到固态, 最后到全固态. 负极会从石墨负极, 硅碳负极, 最后有可能到达金属锂负极, 但目前无法确认.
钴和镍都是战略物资, 下一步目标——高比能量电池正极主要是无钴无镍材料. 在400瓦时/公斤高比能量动力电池方面, 国家电池创新中心开展了富锂锰基固溶体的工程技术研究. 这是他们做的350瓦时/公斤的电池样品, 但衰减非常严重. 这方面中科院物理所团队在承担国家专项方面, 对富锂锰基固溶体材料的衰减做了一些工作. 另外, 值得关注的新结构的富锂正极材料, 主要是北京大学项目团队承担, 首次研究出比容量400毫安时/克正极材料, 这个是对传统锂离子正极材料的一大突破. 大家知道三元811正极比容量只有210毫安时/克, 现在新结构富锂正极材料已经做到400毫安时/克, 这为实现锂离子电池500瓦时/公斤的目标提供了可能性, 当然, 目前这还是基础研究.
由于富锂正极电势高, 氧参与反应必须到4.4伏以上, 而传统的液态电解质无法匹配, 所以可能的途径是要富锂正极材料结合固态电解质, 因此基于高容量富锂正极, 高容量硅碳负极的革新型固态电池将成为动力电池远期发展的重要目标体系之一. 以前我们一直认为是锂硫和锂空气电池是未来发展方向, 现在多了一种选择. 锂硫电池重量比能量可以提高, 然而锂硫电池体积比能量跟重量比能量的比值基本上是1: 1, 对轿车来讲体积比能量更加重要, 因此锂硫电池对轿车而言是有挑战的, 它在储能方面可能更有前景.
最后我要强调的是, 电动汽车高比能量动力电池的发展安全永远是第一位的. 今天上午有很多专家和企业家都提到了安全, 我在这里再次强调, 安全是第一位, 比能量等性能指标其次. 我现在主要研究动力电池安全, 这是我在清华大学的电池安全实验室.
第二部分, 电动汽车能耗与节能技术.
大家知道, 现在电动汽车总体能耗偏高, 节能潜力很大, 节能的意义比燃油车更大. 为什么? 因为电动车没有能源就走不远, 燃油车多点油至少可以走远. 我自己是纯电动汽车用户, 已经开了几年纯电动轿车, 我深深的体会就是电耗偏高. 在这方面, 全球都在增加续驶里程, 续驶里程增加需要依托电池的比能量上升, 但是整车厂不能把电动汽车的技术提升全扔给电池厂, 整车集成的核心技术就是降低电耗, 电耗是纯电动汽车整车集成水平最重要的体现. 大家知道日产聆风第一代车能耗为百公里13.7度电, 到第二代, 第三代基本上都在百公里11度电. 理论上计算, A级车做到百公里10度电是可能的, 所以新能源汽车重点专项有一个研发计划, 这个项目是长安承担的, 到2020年纯电动轿车 (车长4.5米) 整车电耗百公里10度 (工况法) , 只有降低电耗才有可能在降低成本的前提下提高续驶里程, 这是最佳的途径.
如何降低电耗? 我们有各种各样的关键技术, 我在这里简单介绍一下.
首先, 我们要学习宝马i3, 降重量 , 我们现在的整车重量都偏大, 这里不详细介绍.
第二, 低阻化 , 我们要向特斯拉学习, 特斯拉电动SUV的风阻系数0.24, 我们传统燃油SUV风阻系数高的可以到0.4, 这个是相差很大的, 直接从传统SUV改电动SUV其实在能耗方面是不合适的. 国产纯电动乘用车节能重点之一就是降低电动SUV风阻系数, 这个可以采用全新的平台, 不能完全直接从传统车改.
第三, 电驱动高效化 . 我们要看到, 国外跨国汽车零部件集团现在都在竞相开发一体化电驱动桥, 并进入中国市场, 跟我国电驱动企业短兵相接, 我国有些企业已经开始跟他们合资. 当然这都是企业行为, 是可以理解的, 但是我们还得要在这方面给予足够的重视. 比如说电机控制器输入端到半轴的效率, 他们可以到92%, 但总体看我们国内目前水平普遍在82%-85%. 最近国内领军企业精进电动也做过这方面的研究, 在NEDC工况下平均效率可以接近90%, 我们要向这个目标迈进.
下一个就是制动能量回收, 国际标杆车型制动回收效率普遍偏高, 日产聆风能量回收整车能耗的改善幅度是20.5%. 日产的E-Power可以单油门操作, 制动踏板基本不用, 这对降低能耗是非常有意义的. 我开过宝马的车, 制动回馈都是很重的, 在城里开车基本上不用踩刹车.
国内制动能量回收的技术已经取得进展, 但是实际应用偏弱, 比如清华团队制动回馈技术应用在北汽E150, 能耗改善也可以到23.7%, 但是实际车辆的使用和推广情况不佳, 急需改善.
最后就是热管理, 温度对实际运行电耗影响最大, 低温工况下电耗较常温工况最高高出50%, 这是非常大的一个变化, 在冬天续驶里程都有较大幅度下降.
怎么办? 新一代热泵空调技术已经取得重要突破, 正在进行产业化测试, 我们要重视这个技术. 现在电池加热, 这些都是成熟技术, 但是有一个技术, 就是冬天的供暖, 如果我们用PTC电加热, 1千瓦就能产生1千瓦的热, 用热泵空调COP (制热能效比) 可以达到3, 就算零下25度也可以达到1.7, 就是1千瓦能够供1.7千瓦的热, 效果是非常明显的, 所以值得我们重视.
第三部分, 快充与充电网智能化技术.
我想说两个问题, 一是私人购车充电桩配建率在增加, 我们的目标是 '一车一桩' , 这个非常重要, 应该由整车厂主导. 另外一个我们应该看到, 全国公共慢充桩充电利用率不到10%, 也就是说公共慢充交流桩基本没人用, 所以电动轿车充电趋势将是私人交流充电桩日常慢充+公共快充补电结合. 我们现在慢充不存在成本各方面的问题, 技术也没有什么问题, 从现在的接触式交流慢充到将来无线充电, 这条技术路线也是清楚的. 关键是采用什么样的快充, 这个是当前我们面临的最大问题.
大家知道, 欧洲和美国计划2020年后车辆电池容量基本上达到100千瓦时, 续驶里程达到500公里, 设定充电时间15分钟, 提出充电功率350千瓦的要求. 现在北美, 欧洲都在推行, 日本稍晚一点, 但是2022年之后也要应用. 我国目前乘用车直流快充一般是50千瓦左右, 实现350千瓦的大功率充电, 电动汽车电压要提高到1000伏, 充电电流400-500安时, 超过现有产品零部件的性能边界, 对我们现有的纯电动汽车整体技术体系会带来严重冲击, 对于整个方方面面的安全也会造成重大风险. 2017年百人会将其作为热点问题已经多次讨论, 与此同时, 中国充电联盟也在开展大功率充电的技术准备, 因为随着电动轿车续驶里程的增加, 电池容量的提高, 对充电设备配建功率的需求逐步提升, 这是不可避免的, 因为原来续驶里程150公里现在提升到300公里, 电池原来20千瓦时现在基本上都要四五十千瓦时, 必然要提高. 但是我们也必须从长计议, 基础设施不能来回翻烧饼, 要着眼未来10年. 如果我们看未来10年, 中国分布式可再生能源将会成为发电主体能源, 因为光伏的价格在持续下降, 估计在5-10年会低于煤电.
所以, 充电智能化将会引发能源革命, 我们认为, 面向未来的是新能源智能化电动汽车, 我在这里加了两个词, 电动汽车前面有 '智能化' , 还有 '新能源' , 等于什么呢? 电动汽车+驾驶智能化+充电智能化, 我们现在谈驾驶智能化比较多, 比较热, 我看已经快成红海了, 但是充电智能化还是蓝海一片, 我认为比驾驶智能化可能难度要更低一些, 推广起来反而更容易一些, 我们需要开辟另外一个能源智能化的大空间, 而且中国的电动汽车有先发优势, 互联网有技术优势, 光伏技术有产业优势, 如果三个优势进行整合, 我相信我们的换道超车一定能实现.
通过分析我们认为, 未来的充电发展愿景是以电池储能V2G微电网为主, 就是车电互动, 以分布式可再生能源与电动汽车微电网协同平抑快充负荷. 大家知道, 快充幅度提高之后, 电动车快充功率峰值很大, 同时可再生能源也是间歇的峰值, 怎么样两个峰值协调互动, 达成平衡稳定的电网, 这是我们必须要尽快研究和落实的. 所以我们提出一个是交流慢充, 在3千瓦到20千瓦之间, 占充电总量80%以上, 以慢充为主体, 加上快充补电, 由120千瓦逐步过渡到350千瓦, 占充电量的15%. 未来2-3年我们可能还要30分钟充电到SOC的40%, 3-5年可能半个小时充到60%, 5-10年15分钟可以充到75%, 这是我们基本的发展愿景.
最后, 我们希望个人充电桩力争1: 1配套, 成为充电主体的情景下, 电动乘用车公共快充补电站发展大概分为三个阶段:
第一, 从目前到2020年, 从小于60千瓦的快充到小于150千瓦的快充, 我们推广自用桩, 同时研究以大功率快充为代表的各类充电技术; 在2020年2025年, 示范新一代充电技术, 大规模的V2G示范应用; 2025年之后, 推广新一代充电技术, 大规模的基础设施改造, 实现新能源智能化, 除了自动驾驶的智能化还要实现新能源的智能化, 满足乘用车的快速补电需求, 同时带来整个能源交通系统的革命.
