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欧阳明高谈新能源汽车的三个技术路线

www.p-e-china.com 2017/8/22 10:47:49 来源:互联网 电力电子论坛|免费发布产品

  欧阳明高,教育部长江学者特聘教授,清华大学学术委员会副主任,教授、博士生导师,汽车安全与节能国家重点实验室主任,北京节能与新能源汽车工程中心主任 ,中国民主同盟第十届、第十一届中央委员会副主席,全国政协常委,中国汽车工程学会副理事长,国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组组长。

  7月19日,第四期新能源汽车热点问题系列研讨会在湖南株洲举行。中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高在研讨会上就纯电动、燃料电池、混合动力三个技术路线问题发表演讲。

  精彩观点如下:

  这些年最大的成就是发展出了中国具有全球竞争力的电池产业。

  我们现在正逐步提升电池能量密度,到2020年可以达到300瓦时/公斤,每升大概接近600瓦时,就可以极大的解决问题。

  到2020年综合成本可以跟燃油车竞争。纯电动商用车的总体水平在全球处于领先地位。

  国外的大客车是纯燃料电池驱动,轿车是全部燃料电池,燃料电池搞的很大。中国的是燃料电池跟动力电池的深度混合大客车,燃料电池做辅助动力的增程式燃料电池轿车,这是中国的技术路线。

  一直以来丰田的功率分流在业内被奉为神圣,但是现在应该走下神坛,最低油耗是谁呢?不是丰田的功率分流,而是起亚的P2,而它的价格比丰田普锐斯还低。

  今天我讲汽车动力电气化的技术路线问题。

  先回顾一下新能源汽车的技术路线,汽车动力电气化几起几落、多元探索。从行业的视角看,汽车行业一般认为是混合动力、插电、燃料电池的发展路径。信息行业是纯电动、信息化共享、智能化共享。能源行业,尤其是电网,以前是纯电动、换电池、电池租赁、智能电网。现在慢慢的三个行业三股力量在竞争融合。以前的战略取向在汽车行业里有两种,一种是发动机路线战略,就是把技术门槛越做越高,另外一个战略就是纯电动战略。外行进入汽车行业的时候基本上都采用这个战略,因为门槛相对比较低一点。

  中国该怎么选择一直有很多争论,也有很多摇摆,当然最终确立纯电驱动战略应该是2012年。

  特斯拉-典型的纯电动战略,从豪华电动车,最后到家用的电动车-Model 3。丰田,正好是代表汽车行业非常典型的,就是发动机路线战略,也叫高门槛战略。从燃油车,到普锐斯,到燃料电池,是这条路线。中国的纯电驱动的路径跟丰田是刚好相反的。发动机战略是先做一个混合动力的平台,比方说丰田的普锐斯,然后再基于这个平台做各种车型,插电式就是在普锐斯基础上电池加一点点就可以了,燃料电池也是在普锐斯基础上把发动机换成燃料电池。

  中国模式,基本上是新能源汽车先做纯电动,做纯电动的基础上做插电式和深度混合的燃料电池,最终在比较多的电池插电式基础上再减少电池,再做一般的混合动力,在燃料电池深度混合的基础上再减少电池,加大难度,再做全功率燃料电池。我们是一种从易到难的做法,丰田是逐步加大技术难度的做法,是不一样的。

  我们是先发展电池核心技术,并形成具有竞争力的市场最大规模电池产业。这些年最大的成就就是发展出了中国具有全球竞争力的电池产业。所有今天取得的成就最大的成就就是这个,有了这个才有突破,如果没有它我们寸步难行。我们以纯电动力为突破口和基础平台,带动混合动力汽车、燃料电池汽车全方位发展,形成新能源汽车总体竞争优势。确立这个战略是2012年3月份《电动汽车科技发展规划》,“全面推动纯电驱动技术转型战略”,这也是专家组最先提出,《节能与新能源汽车产业规划》也再次强调了这一点。在“十五”、“十一五”两个五年全面探索之后,在纯电驱动和常规混合动力选择了以纯电驱动发展为新能源汽车率先推进的占突破口,是在2012年正式确立的。

  确立了这个战略之后,中国新能源汽车进入了快速发展的轨道,大家可以看到,2011年—2016年从不足5千辆发展到51万辆,保有量从1万辆提升到100万辆,100倍的增长,同时这两个都占全球的一半,处于领先地位。所以到2016年,我们看到了一个全球纯电驱动技术转型的标志年。

  电动汽车曾经几起几落多元探索,锂离子电池后来居上,技术进步超出预期。关键的核心是锂离子电池后来居上,技术进步超出预期,前面有铅酸电池,有镍氢电池,都不尽如人意,阻挡了发展,进入了锂电池之后就开始快速发展。中国新能源汽车产业率先发力,从产品导入期进入产业成长期,全球纯电驱动汽车发展不可逆转,全球的工业汽车强国开始转型。

  下面我分别说一下纯电动、燃料电池、混合动力三个技术路线。

  首先是纯电动。

  电池的能量密度不断提升,成本持续下降。五年之间,单体比能量提升了1倍,现在已经达到200瓦时/公斤,以前预测今年系统成本大概是1.7元,实际现在已经低于这个数,应该在1.5元、1.4元,大大超出预期。而且这个数,电池厂的纯利润还在10%以上,原先预测2020年也是偏高的,后来也把它改了,估计是在1元以内。

  纯电动汽车的引入,我们叫“两头挤”,大客车和微型电动轿车逐步向中级家用轿车发展,两头往中间挤,这个局面也已经完全形成了。当初大家对纯电动产品的里程都是100多公里,现在300公里以上的车已经非常多了。

  纯电动商用车的总体水平在全球处于领先地位,产品的规模出口,中车时代的电动车也开始出口了。充电基础设施也在去年开始出现拐点,前面发展基本上都是平的,到了去年就开始出现拐点了,到去年是15万个充电桩。从去年年底开始,现在每个月大概在1万多个,所以今年年底就会到达30万个。这是公共的,私人买车是自带充电桩的。由于电动车进入市场之后,整个充电桩产业也开始快速发展了,出现拐点。

  下一步目标是家用主流轿车的性价比车型技术形成竞争力,当然这中间关键取决于电池,纯电动汽车的性价比就是里程跟成本的比值,因为多100公里续驶里程就得多装100公里的电池,电池成本是比较高的。

  我们做的事情包括几个方面:有电池成本的下降,当然也有整车电耗的下降,这就靠今天讨论的驱动系统,另外就是充电设施的便利。还有一个是安全管理。最后希望达到的目标是在A级车、A0级车百公里电耗降到10度,续驶里程达到300公里左右的小型电动车取消补贴,到2020年综合成本可以跟燃油车竞争。全球也都在朝这个方向努力,比如说通用、特斯拉Model 3也是这样的。

  究竟多少续驶里程是合适的呢?跟车型有密切的关系,比如一个2.5米长的微型电动汽车,续驶150公里足够了。奔驰Smart没有必要搞500公里,也装不了那么多电池,因为体积就那么小。A00级,像QQ这么大的,200公里是合理的。到A0级车,家用轿车像伊兰特这么大的,300公里是合适的。到A级车,比方说捷达那么大的车,400公里是合理的。B级、C级中高档轿车可能要500公里。从调查看,日本消费者对续驶里程300公里的车接受度70%,在欧洲要500公里,因为欧洲开车速度非常高,行驶里程也相对长,所以各个地方市场是不一样的,而且没有特别小的车。

  另外,要不要超快速充电,比方说350千瓦,15分钟充电跑500公里,这是欧洲的提法。日本就认为这个指标是过度的,这是欧洲部分车企针对部分车型的策略,什么车型的策略呢?B级、C级豪华车这个范围是需要的,显然(B级以下)都是不需要的。而且随着充电基础设施的高速发展和普及,反而大家会降低对里程的要求,如果充电非常方便是没有必要的。另外,中国要实现的双积分管理,对过高的里程没有优惠,350公里是上限,350公里拿5分,再高也是5分,所以估计未来350公里可能会是大家比较用得多的一个里程,也就是超过350公里,比方说360公里,这样的车会比较多,因为它有政策引导,同时它也是比较合理的一个范围。

  另外,为了提高里程,电池的体积必须降下来,如果你电池体积很大,你想装也装不上去。一般一个家用轿车的体积多少呢?220L,比如3吨重的SUV它装电池的体积400L,这个标准定了。电池的体积是多大呢?体积能量密度,每升多少能量,跟重量能量密度是对应的。比方说250瓦时/公斤,大概是每升500瓦时。所以不同的能量密度也决定了里程的长短,比如SUV要做500、600、700、800都是可能的,但是轿车体积有限制,如果说QQ那么大的车,非要它跑500公里,不现实,没有体积,装不了。

  电池是可以装上去,但把体积也提上去怎么办呢?现在是在逐步的提升电池能量密度,到2020年可以达到300瓦时/公斤,每升大概接近600瓦时,就可以极大的解决这个问题。这个技术路线已经完全确立,也就是说从现在的200瓦时/公斤提到300瓦时/公斤是没有问题的,而且有些产品已经做出来了,比方说贝特瑞的材料已经用在松下的电池上了。

  另还有一个是成本问题,装那么多电池成本怎么办?成本要全产业链发力重点环节突破。首先,最为薄弱的环节是原材料,百人会刚在青海做了一个电池材料的研讨会。电池材料主要在青海那边,一吨碳酸锂成本1万—2万,卖15万—17万,这是高额利润。合理的价格在多少呢?3万—5万,如果到达这个价格电池成本还有可能大幅下降。另外一个就是生产制造环节降成本,电池良品率还不够高,一致性还不够好。

  第三个,材料回收和再循环利用,钴是非常稀有的材料,全球就那么七八万吨总的储量,所以必须回收。现在一辆特斯拉还要用十几公斤钴,是很大的数。到了2020年,镍的比例提高、钴的比例会下降,但是5公斤是要的,所以必须要回收。

  总之,材料的成本是最关键的,而且材料的涨价也是最不容易控制的,因为材料是资源问题。

  究竟降到多少才算低呢?可以按照内燃机动力系统的价格来反算纯电动力系统的价格,反算一下,比方说这边是发动机、变速器、油箱等等,这边DC/DC、逆变器、电机其加起来电池用60千瓦时,能走多远?到2020年可以走400公里一点问题没有,这样算出来价格要等价的话,电池必须每千瓦时102美元,就是100美元,六七百人民币一度电就可以跟内燃机等价。这个价格什么时候能达到呢?我个人估计2020年每千瓦时大概在1000人民币,100美元之间,但是很难做到100美元,可能有的企业做到,有的企业做不到,平均做不到。2025年大概在100欧元跟100美元之间,就是2025年是可以做到的,所以估计是在2020年—2025年做到这个价格。

  一旦做到这个价格,就是拐点全方位出现,所以估计纯电动汽车推广的进程大概是这样的:第一阶段,2010—2015年,示范考核公共领域政府“第一推动。第二阶段,2014—2017年,政府补贴+政府限购老百姓被动“吃螃蟹”。第三阶段,2017—2020年,充电设施后来居上破解“鸡与蛋”的关系,现在拐点已经出现。第四阶段,2019—2025年,双积分政策,现在进入市场的电动车反馈还是不错的,没有太多人抱怨电动车,所以会形成市场和政策双轮驱动。真正纯电动车突破性价比在2025年左右会实现大发展,这就是纯电动的技术路线。

  有一个问题要特别提醒注意,刚才说的都是好事,但是有一件事不太好,高比能量动力电池安全性挑战,比能量越大,安全性越差。

  这就是动力电池会热失控,温度上来,连锁反应,温度到达1000度就会燃烧爆炸,尤其是一个单体燃烧之后像放鞭炮一样,电池一般都有几百只到上千只,大客车是几千只,如果让它在整个系统里面蔓延出去,那大事故就来了。大家知道,100节电池的能量就是50公斤TNT,所以这是要解决的。为此清华大学团队做什么呢?全方位做安全。建立安全实验室,包括电池碰撞,也包括电池的化学,还有电池的集成。现在不仅仅是国内的厂家关注这个问题,全球顶尖级的厂家都在跟我们合作,奔驰、宝马、日产,其实最开始引入我们进入安全领域的是宝马。现在保持要我们给它转让知识产权,说明这块中国做的并不慢,因为出的问题最早,当然做的也就最早,所以什么事情都有一个先发优势,后发优势是很难形成的,先发优势还是可以的,所以现在他们来找我们要转让知识产权。

  比方说热失控的扩展,我们可以防止它,一个热失控了,第二个、第三个等等后续一个一个接着来,系统可以控制住,不能热失控。以前说大客车,200瓦时/公斤的不可能上去的,现在200瓦时/公斤的三元电池,系统是150瓦时/公斤的,这个已经比例非常高了,已经做出来了。以前大客车基本上用磷酸铁锂,三元根本就不敢上,三元150瓦时/公斤都不敢上,现在我们200瓦时/公斤都可以。

  第二方面,燃料电池技术路线。

  中国燃料电池的技术路线跟国外不一样,觉得也还是有一定优势的,国外的大客车是纯燃料电池驱动,轿车是全部燃料电池,燃料电池搞的很大。中国的是燃料电池跟动力电池的深度混合大客车,燃料电池做辅助动力的增程式燃料电池轿车,这是中国的技术路线。这么做的好处是成本降低,因为目前燃料电池比电池要贵,最重要的是耐久性的提高,燃料电池最大的问题是耐久性,但现在国内已经做出了燃料电池发动机。去年是一个启动年,今年有可能成为中国燃料电池汽车全方位商业化的元年。

  这中间一个核心问题是怎么突破燃料电池,现在燃料电池混合动力大家都会做,因为常规混合动力都会做,都不是问题。但是燃料电池还是根本的,虽然混合动力解决了一堆问题,但是燃料电池本身还是很重要的。经历了很多年的研发,燃料电池的技术路线是从底向下,做催化剂、再做膜、再做极板、再做堆、再做发动机,一般搞电化学催化剂的的人在做,再做发动机,再做车,这种模式走了十多年,说明产业化走这条路是有问题的,所以技术路线是从上至下,先做动力系统,这个已经实现了。

  第二步,研发燃料电池发动机电堆外协,这已经完成了,现在研发燃料电池膜电极外协。现在搞电驱动,IGBT是最难的,技术是长期积累的结果,膜电极相当于芯片,所以在我们的技术路线中,芯片是最后在攻克。现在已经做到第三步,现在在筹划第四步,靠什么?靠人。没有人怎么办?引进国外最高端的人才,现在人才已经搞定了,下一步朝这个方向发展。这就是燃料电池的混合动力系统,电池、燃料电池、控制,这里头的控制器是株洲所的,现在已经换成了轮边电机,DC/DC我们自己开发了。经历了2008年示范、新加坡示范、燃料电池有轨客车,最后到燃料电池发动机,去年是100台的销售。现在电池客车5个公告,其中有4个是亿华通的燃料电池发动机。

  未来的走向,说燃料电池不能局限在汽车领域里头,燃料电池是能源前沿技术,不仅仅是汽车的前沿技术,如果局限在汽车里,这件事情是很难成功的,应该是是全方位的。燃料电池有点像我们的柴油发动机,不是汽油机,汽油机可以由电池完全取代,但是柴油机用途非常广,不光是汽车,坦克、飞机、船舶、发电全都有柴油机,所以燃料电池定位在一个通用型的动力机械,这是发改委能源革命创新行动计划关于燃料电池的一个路线图。

  我去年稍稍比较保守,为什么比较保守呢?因为国内这个产业太热了。比较理想和正常的应该是2020年1万辆、2025年10万辆、2030年100万辆,这是未来要形成的。

  最近中国燃料电池代表团刚刚访问日本回来,观感有几点,第一,日本仍然还是比较缓慢的,基础设施还是比规定进展的要迟缓。另外,他们挑战了技术难度过高的乘用车,现在每天大概生产13台。他们公交车公司又太小,没办法来更换新能源车,这是他们的弱点。美国应该说今年的预算,2018年的预算,明年的预算比今年还要有所下降,因为特朗普上台之后对所有的预算都在往下减。中国活跃,资本市场运作兴盛。我们有一个最好的,就是以公交车、物流车、出租车为突破口,我们完全有希望后来居上,我相信2020年之前燃料电池车也会在全球第一。

  第三点,混合动力技术路线。

  混合动力技术路线相对来说是最复杂的,为什么呢?因为这里头很多东西只有内行看得明白。

  经过十几年的发展,中国典型混合动力构型已经出现了,比方说比亚迪后并联,上汽、广汽的双电机串并联,还有比亚迪四驱电桥构型,还有科力远的功率分流。

  一直以来丰田的功率分流在业内被奉为神圣,但是现在应该走下神坛,为什么?

  首先,丰田的功率分流,为什么能够省油呢?发动机总在最高效率点,不管你在哪儿我都给你弄过来,怎么弄过来的呢?我们有两个电机、一个发动机,接了三个轮子,太阳轮、行星轮、齿轮架,要调节发动机的转速靠什么呢?靠发电机,这叫ECVT,就是电的CVT,普锐斯是津津乐道被大家崇拜的。现在出现了什么呢?比方说本田的串并联,照样也可以来优化这个点,不管在哪里,都可以把你做到最佳点,照样可以,不是说只有普锐斯可以。

  还有,现在最简单的一种并联式P2构型,所谓P2构型就是说发动机、离合器、电机接着变速器,但是接在变速器前面,刚才那个是后并联接在变速器后面,这是一个DCT双离合器变速器,它也可以来优化,怎么优化呢?用变速器横纵调节,调节到这个点,再用电机调节,再把它可以纵向调,横向、纵向也可以调,不是只有普锐斯能调。但是这种结构就非常简单,传统车稍稍改一下就可以了,模块化非常好,不需要重新来。

  这是刚才P2构型起亚的,这些丰田的,这是燃油车的,茫茫一片。最低油耗是谁呢?不是丰田的功率分流,而是起亚的P2,而它的价格比丰田普锐斯还低。

  还有一个,大家以前看不起的串联,说串联油耗太高,经常出现争议。那时候为什么油耗高呢?电池不好,铅酸电池,镍氢电;电机不好,都不好当然就不好了。现在电池好了,发动机油耗也低了,可以达到多少呢?37.2公里/升,在日本一上市就是畅销车型,超过普锐斯,所以普锐斯不是神话,现在串联、并联都可以达到。

  所以比较不同混合动力的特性,发动机工作点优化、动态转矩协调、全工况适应性、安装适应性、动力性、经济性兼顾等等,都有办法,不是功率分流一家。但是有一个共同的点,就是高效发动机是必须的,没有这个其他都免谈。

  新能源汽车的平台化和模块化,我个人认为只有两个平台是最好的,要实现模块化。第一,从内燃机、双离合器、多档变速器动力系统,然后接着机电耦合P2构型混合动力,一般是纵置,横置减档。另外就是插电式混合动力。另外纯电驱动平台,动力电池纯电动力系统,然后串联增程式/插电式,然后串联式混合动力,然后到燃料电池串联混合动力。

  燃油车是一个平台,纯电动是另一个平台,中间两者再结合。所以只要走两个平台在中间的斜线,就可以把汽车所有的动力系统连成一片,不需要搞十样、二十样。大家知道,当初搞客车的时候,一年改一个样子,每年都变化,现在怎么样?都过去了,电池好了,没必要了。所以减少中国发展的弯路,我认为最终的平台就是这两个,这样能实现模块化、平台化、成本最低、可持续发展。

  ”内容来源:中国能源报

 

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