1月20-21日, 以 '把握全球變革趨勢 實現高質量發展' 為主題的中國電動汽車百人會論壇 (2018) 在北京舉行. 中國電動汽車百人會執行副理事長, 中國科學院院士歐陽明高表示, 從新能源汽車增長的態勢來看, 目前市場55%都是純電動的乘用車, 他重點針對純電動乘用車進行分析並提出相關建議. 彙報分為三個部分, 一是高比能量鋰離子電池技術, 二是電動汽車能耗與節能技術, 三是快充與充電網智能化技術.
中國電動汽車百人會執行副理事長, 中國科學院院士歐陽明高
第一部分, 高比能量鋰離子電池技術.
十二五以來, 我國電動汽車動力電池已經取得重大進展, 從十五到十三五, 逐步走向快速發展的道路. 動力電池系統比能量在逐年提升, 成本在不斷下降.
基於國產高鎳正極材料, 尤其NCM622材料, 2017年底方殼電池單體能量密度超過200瓦時/公斤, 全部電池單體能量密度在230±20瓦時/公斤.
基於新一代動力電池熱失控防控技術, 2017年底電池系統能量密度接近160瓦時/公斤, 比方單體能量密度為195瓦時/公斤的三元方殼電池系統能量密度達到158瓦時/公斤, 單體能量密度200瓦時/公斤電池能做到160瓦時/公斤, 質量成組效率可以達到77%, 迴圈壽命超過3000次, 其中很重要的就是熱失控防範技術, 如果沒有該技術, 這麼高的比能量是很難做到的, 因為單體電池要完全杜絕熱失控, 目前還是非常困難的, 所以必須要從系統角度來防範熱失控的蔓延.
下面進一步對專項裡面研發進展做一個簡單介紹.
寧德時代新能源, 力神, 國軒承擔新型鋰離子動力電池項目, 採用高鎳三元正極和矽碳負極, 軟包電池能量密度都達到了300瓦時/公斤, 其中部分樣品的性能指標已經接近應用要求, 這裡 (圖) 我展示的是寧德時代新能源B樣的一些指標, 基本上接近使用要求. 有些單位動力電池的安全性還不能完全滿足國標, 寧德時代已經都通過, 這是安全性檢測 (圖) .
從國際來看, 2020年前全球的目標基本上都是300瓦時/公斤, 國內外的技術研發基本處於同一水平, 但是安全性的研究尚待加強. 可以看出 (圖) , 日韓目標與我國還是不太一樣, 他們更多的是追求體積比能量, 因為對轎車來講體積比能量可能會更加重要, 他們一般都是叫體積比能量, 質量比能量他們反而沒概念, 松下280瓦時/公斤電池體積比能量要做到720瓦時/升. 日韓質量比能量目標在270瓦時/公斤, 280瓦時/公斤的比較多, 這個目標在2020年前可以實現併產業化.
另外一方面, 2017年是固態電池最火熱的一年, 我們對這方面也要做一些點評. 這 (圖) 是國內各個單位所開發的固態電池的指標, 我在這裡不詳細介紹, 值得一提的是, 中科院寧波材料所與贛鋒鋰業在攜手計劃2020年產品進入市場, 其他的應該說科研單位較多.
全球固態電池2017年全面升溫, 日本在無機硫化物固態電解質方面取得重要突破, 豐田公司出台固態電池量產計劃, 在2022年實現商品化. 當然, 我們還要等幾年看看是不是能夠如期的產業化, 目前的重量比能量是200瓦時/公斤, 體積比能量是400瓦時/升. 固態電池除非能夠在內部進行串聯連接, 才有可能提高系統的比能量, 也就是電池變成雙極性的, 目前由於要加入部分液態電解質, 所以串聯多了之後會導致內部的電解液流出而引起短路, 所以現在內部串聯不是很多.
一年來, 以無機硫化物固體電解質為核心的固態鋰離子電池取得重要進展, 但受到固固界面穩定性和金屬鋰負極可充性問題的制約, 真正的全固態鋰金屬電池技術還遠未成熟. 我們認為固態電池的發展技術路線, 從電解質的角度會從液態, 半固態, 固液混合, 到固態, 最後到全固態. 負極會從石墨負極, 矽碳負極, 最後有可能到達金屬鋰負極, 但目前無法確認.
鈷和鎳都是戰略物資, 下一步目標——高比能量電池正極主要是無鈷無鎳材料. 在400瓦時/公斤高比能量動力電池方面, 國家電池創新中心開展了富鋰錳基固溶體的工程技術研究. 這是他們做的350瓦時/公斤的電池樣品, 但衰減非常嚴重. 這方面中科院物理所團隊在承擔國家專項方面, 對富鋰錳基固溶體材料的衰減做了一些工作. 另外, 值得關注的新結構的富鋰正極材料, 主要是北京大學項目團隊承擔, 首次研究出比容量400毫安時/克正極材料, 這個是對傳統鋰離子正極材料的一大突破. 大家知道三元811正極比容量只有210毫安時/克, 現在新結構富鋰正極材料已經做到400毫安時/克, 這為實現鋰離子電池500瓦時/公斤的目標提供了可能性, 當然, 目前這還是基礎研究.
由於富鋰正極電勢高, 氧參與反應必須到4.4伏以上, 而傳統的液態電解質無法匹配, 所以可能的途徑是要富鋰正極材料結合固態電解質, 因此基於高容量富鋰正極, 高容量矽碳負極的革新型固態電池將成為動力電池遠期發展的重要目標體系之一. 以前我們一直認為是鋰硫和鋰空氣電池是未來發展方向, 現在多了一種選擇. 鋰硫電池重量比能量可以提高, 然而鋰硫電池體積比能量跟重量比能量的比值基本上是1: 1, 對轎車來講體積比能量更加重要, 因此鋰硫電池對轎車而言是有挑戰的, 它在儲能方面可能更有前景.
最後我要強調的是, 電動汽車高比能量動力電池的發展安全永遠是第一位的. 今天上午有很多專家和企業家都提到了安全, 我在這裡再次強調, 安全是第一位, 比能量等性能指標其次. 我現在主要研究動力電池安全, 這是我在清華大學的電池安全實驗室.
第二部分, 電動汽車能耗與節能技術.
大家知道, 現在電動汽車總體能耗偏高, 節能潛力很大, 節能的意義比燃油車更大. 為什麼? 因為電動車沒有能源就走不遠, 燃油車多點油至少可以走遠. 我自己是純電動汽車用戶, 已經開了幾年純電動轎車, 我深深的體會就是電耗偏高. 在這方面, 全球都在增加續駛裡程, 續駛裡程增加需要依託電池的比能量上升, 但是整車廠不能把電動汽車的技術提升全扔給電池廠, 整車整合的核心技術就是降低電耗, 電耗是純電動汽車整車整合水平最重要的體現. 大家知道日產聆風第一代車能耗為百公裡13.7度電, 到第二代, 第三代基本上都在百公裡11度電. 理論上計算, A級車做到百公裡10度電是可能的, 所以新能源汽車重點專項有一個研發計劃, 這個項目是長安承擔的, 到2020年純電動轎車 (車長4.5米) 整車電耗百公裡10度 (工況法) , 只有降低電耗才有可能在降低成本的前提下提高續駛裡程, 這是最佳的途徑.
如何降低電耗? 我們有各種各樣的關鍵技術, 我在這裡簡單介紹一下.
首先, 我們要學習寶馬i3, 降重量 , 我們現在的整車重量都偏大, 這裡不詳細介紹.
第二, 低阻化 , 我們要向特斯拉學習, 特斯拉電動SUV的風阻係數0.24, 我們傳統燃油SUV風阻係數高的可以到0.4, 這個是相差很大的, 直接從傳統SUV改電動SUV其實在能耗方面是不合適的. 國產純電動乘用車節能重點之一就是降低電動SUV風阻係數, 這個可以採用全新的平台, 不能完全直接從傳統車改.
第三, 電驅動高效化 . 我們要看到, 國外跨國汽車零部件集團現在都在競相開發一體化電驅動橋, 並進入中國市場, 跟我國電驅動企業短兵相接, 我國有些企業已經開始跟他們合資. 當然這都是企業行為, 是可以理解的, 但是我們還得要在這方面給予足夠的重視. 比如說電機控制器輸入端到半軸的效率, 他們可以到92%, 但總體看我們國內目前水平普遍在82%-85%. 最近國內領軍企業精進電動也做過這方面的研究, 在NEDC工況下平均效率可以接近90%, 我們要向這個目標邁進.
下一個就是制動能量回收, 國際標杆車型制動回收效率普遍偏高, 日產聆風能量回收整車能耗的改善幅度是20.5%. 日產的E-Power可以單油門操作, 制動踏板基本不用, 這對降低能耗是非常有意義的. 我開過寶馬的車, 制動回饋都是很重的, 在城裡開車基本上不用踩刹車.
國內製動能量回收的技術已經取得進展, 但是實際應用偏弱, 比如清華團隊制動回饋技術應用在北汽E150, 能耗改善也可以到23.7%, 但是實際車輛的使用和推廣情況不佳, 急需改善.
最後就是熱管理, 溫度對實際運行電耗影響最大, 低溫工況下電耗較常溫工況最高高出50%, 這是非常大的一個變化, 在冬天續駛裡程都有較大幅度下降.
怎麼辦? 新一代熱泵空調技術已經取得重要突破, 正在進行產業化測試, 我們要重視這個技術. 現在電池加熱, 這些都是成熟技術, 但是有一個技術, 就是冬天的供暖, 如果我們用PTC電加熱, 1千瓦就能產生1千瓦的熱, 用熱泵空調COP (制熱能效比) 可以達到3, 就算零下25度也可以達到1.7, 就是1千瓦能夠供1.7千瓦的熱, 效果是非常明顯的, 所以值得我們重視.
第三部分, 快充與充電網智能化技術.
我想說兩個問題, 一是私人購車充電樁配建率在增加, 我們的目標是 '一車一樁' , 這個非常重要, 應該由整車廠主導. 另外一個我們應該看到, 全國公共慢充樁充電利用率不到10%, 也就是說公共慢充交流樁基本沒人用, 所以電動轎車充電趨勢將是私人交流充電樁日常慢充+公共快充補電結合. 我們現在慢充不存在成本各方面的問題, 技術也沒有什麼問題, 從現在的接觸式交流慢充到將來無線充電, 這條技術路線也是清楚的. 關鍵是採用什麼樣的快充, 這個是當前我們面臨的最大問題.
大家知道, 歐洲和美國計劃2020年後車輛電池容量基本上達到100千瓦時, 續駛裡程達到500公裡, 設定充電時間15分鐘, 提出充電功率350千瓦的要求. 現在北美, 歐洲都在推行, 日本稍晚一點, 但是2022年之後也要應用. 我國目前乘用車直流快充一般是50千瓦左右, 實現350千瓦的大功率充電, 電動汽車電壓要提高到1000伏, 充電電流400-500安時, 超過現有產品零部件的性能邊界, 對我們現有的純電動汽車整體技術體系會帶來嚴重衝擊, 對於整個方方面面的安全也會造成重大風險. 2017年百人會將其作為熱點問題已經多次討論, 與此同時, 中國充電聯盟也在開展大功率充電的技術準備, 因為隨著電動轎車續駛裡程的增加, 電池容量的提高, 對充電設備配建功率的需求逐步提升, 這是不可避免的, 因為原來續駛裡程150公裡現在提升到300公裡, 電池原來20千瓦時現在基本上都要四五十千瓦時, 必然要提高. 但是我們也必須從長計議, 基礎設施不能來回翻燒餅, 要著眼未來10年. 如果我們看未來10年, 中國分布式可再生能源將會成為發電主體能源, 因為光伏的價格在持續下降, 估計在5-10年會低於煤電.
所以, 充電智能化將會引發能源革命, 我們認為, 面向未來的是新能源智能化電動汽車, 我在這裡加了兩個詞, 電動汽車前面有 '智能化' , 還有 '新能源' , 等於什麼呢? 電動汽車+駕駛智能化+充電智能化, 我們現在談駕駛智能化比較多, 比較熱, 我看已經快成紅海了, 但是充電智能化還是藍海一片, 我認為比駕駛智能化可能難度要更低一些, 推廣起來反而更容易一些, 我們需要開闢另外一個能源智能化的大空間, 而且中國的電動汽車有先發優勢, 互聯網有技術優勢, 光伏技術有產業優勢, 如果三個優勢進行整合, 我相信我們的換道超車一定能實現.
通過分析我們認為, 未來的充電發展願景是以電池儲能V2G微電網為主, 就是車電互動, 以分布式可再生能源與電動汽車微電網協同平抑快充負荷. 大家知道, 快充幅度提高之後, 電動車快充功率峰值很大, 同時可再生能源也是間歇的峰值, 怎麼樣兩個峰值協調互動, 達成平衡穩定的電網, 這是我們必須要儘快研究和落實的. 所以我們提出一個是交流慢充, 在3千瓦到20千瓦之間, 占充電總量80%以上, 以慢充為主體, 加上快充補電, 由120千瓦逐步過渡到350千瓦, 占充電量的15%. 未來2-3年我們可能還要30分鐘充電到SOC的40%, 3-5年可能半個小時充到60%, 5-10年15分鐘可以充到75%, 這是我們基本的發展願景.
最後, 我們希望個人充電樁力爭1: 1配套, 成為充電主體的情景下, 電動乘用車公共快充補電站發展大概分為三個階段:
第一, 從目前到2020年, 從小於60千瓦的快充到小於150千瓦的快充, 我們推廣自用樁, 同時研究以大功率快充為代表的各類充電技術; 在2020年2025年, 示範新一代充電技術, 大規模的V2G示範應用; 2025年之後, 推廣新一代充電技術, 大規模的基礎設施改造, 實現新能源智能化, 除了自動駕駛的智能化還要實現新能源的智能化, 滿足乘用車的快速補電需求, 同時帶來整個能源交通系統的革命.
