解讀純電動(dòng)乘用車發(fā)展三大核心

1月20-21日，以“把握全球變革趨勢 實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展”為主題的中國電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇(2018)在北京舉行。中國電動(dòng)汽車百人會(huì)執(zhí)行副理事長、中國科學(xué)院院士歐陽明高表示，從新能源汽車增長的態(tài)勢來看，目前市場55%都是純電動(dòng)的乘用車，他重點(diǎn)針對(duì)純電動(dòng)乘用車進(jìn)行分析并提出相關(guān)建議。匯報(bào)分為三個(gè)部分，一是高比能量鋰離子電池技術(shù)，二是電動(dòng)汽車能耗與節(jié)能技術(shù)，三是快充與充電網(wǎng)智能化技術(shù)。

中國電動(dòng)汽車百人會(huì)執(zhí)行副理事長、中國科學(xué)院院士歐陽明高

第一部分，高比能量鋰離子電池技術(shù)。

十二五以來，我國電動(dòng)汽車動(dòng)力電池已經(jīng)取得重大進(jìn)展，從十五到十三五，逐步走向快速發(fā)展的道路。動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量在逐年提升，成本在不斷下降。

基于國產(chǎn)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(shí)/公斤，全部電池單體能量密度在230±20瓦時(shí)/公斤。

基于新一代動(dòng)力電池?zé)崾Э胤揽丶夹g(shù)，2017年底電池系統(tǒng)能量密度接近160瓦時(shí)/公斤，比方單體能量密度為195瓦時(shí)/公斤的三元方殼電池系統(tǒng)能量密度達(dá)到158瓦時(shí)/公斤，單體能量密度200瓦時(shí)/公斤電池能做到160瓦時(shí)/公斤，質(zhì)量成組效率可以達(dá)到77%，循環(huán)壽命超過3000次，其中很重要的就是熱失控防范技術(shù)，如果沒有該技術(shù)，這么高的比能量是很難做到的，因?yàn)閱误w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(tǒng)角度來防范熱失控的蔓延。

下面進(jìn)一步對(duì)專項(xiàng)里面研發(fā)進(jìn)展做一個(gè)簡單介紹。

寧德時(shí)代新能源、力神、國軒承擔(dān)新型鋰離子動(dòng)力電池項(xiàng)目，采用高鎳三元正極和硅碳負(fù)極，軟包電池能量密度都達(dá)到了300瓦時(shí)/公斤，其中部分樣品的性能指標(biāo)已經(jīng)接近應(yīng)用要求，這里(圖)我展示的是寧德時(shí)代新能源B樣的一些指標(biāo)，基本上接近使用要求。有些單位動(dòng)力電池的安全性還不能完全滿足國標(biāo)，寧德時(shí)代已經(jīng)都通過，這是安全性檢測(圖)。

從國際來看，2020年前全球的目標(biāo)基本上都是300瓦時(shí)/公斤，國內(nèi)外的技術(shù)研發(fā)基本處于同一水平，但是安全性的研究尚待加強(qiáng)。可以看出(圖)，日韓目標(biāo)與我國還是不太一樣，他們更多的是追求體積比能量，因?yàn)閷?duì)轎車來講體積比能量可能會(huì)更加重要，他們一般都是叫體積比能量，質(zhì)量比能量他們反而沒概念，松下280瓦時(shí)/公斤電池體積比能量要做到720瓦時(shí)/升。日韓質(zhì)量比能量目標(biāo)在270瓦時(shí)/公斤、280瓦時(shí)/公斤的比較多，這個(gè)目標(biāo)在2020年前可以實(shí)現(xiàn)并產(chǎn)業(yè)化。

另外一方面，2017年是固態(tài)電池最火熱的一年，我們對(duì)這方面也要做一些點(diǎn)評(píng)。這(圖)是國內(nèi)各個(gè)單位所開發(fā)的固態(tài)電池的指標(biāo)，我在這里不詳細(xì)介紹，值得一提的是，中科院寧波材料所與贛鋒鋰業(yè)在攜手計(jì)劃2020年產(chǎn)品進(jìn)入市場，其他的應(yīng)該說科研單位較多。

全球固態(tài)電池2017年全面升溫，日本在無機(jī)硫化物固態(tài)電解質(zhì)方面取得重要突破，豐田公司出臺(tái)固態(tài)電池量產(chǎn)計(jì)劃，在2022年實(shí)現(xiàn)商品化。當(dāng)然，我們還要等幾年看看是不是能夠如期的產(chǎn)業(yè)化，目前的重量比能量是200瓦時(shí)/公斤，體積比能量是400瓦時(shí)/升。固態(tài)電池除非能夠在內(nèi)部進(jìn)行串聯(lián)連接，才有可能提高系統(tǒng)的比能量，也就是電池變成雙極性的，目前由于要加入部分液態(tài)電解質(zhì)，所以串聯(lián)多了之后會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的電解液流出而引起短路，所以現(xiàn)在內(nèi)部串聯(lián)不是很多。

一年來，以無機(jī)硫化物固體電解質(zhì)為核心的固態(tài)鋰離子電池取得重要進(jìn)展，但受到固固界面穩(wěn)定性和金屬鋰負(fù)極可充性問題的制約，真正的全固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟。我們認(rèn)為固態(tài)電池的發(fā)展技術(shù)路線，從電解質(zhì)的角度會(huì)從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合，到固態(tài)，最后到全固態(tài)。負(fù)極會(huì)從石墨負(fù)極、硅碳負(fù)極，最后有可能到達(dá)金屬鋰負(fù)極，但目前無法確認(rèn)。

鈷和鎳都是戰(zhàn)略物資，下一步目標(biāo)——高比能量電池正極主要是無鈷無鎳材料。在400瓦時(shí)/公斤高比能量動(dòng)力電池方面，國家電池創(chuàng)新中心開展了富鋰錳基固溶體的工程技術(shù)研究。這是他們做的350瓦時(shí)/公斤的電池樣品，但衰減非常嚴(yán)重。這方面中科院物理所團(tuán)隊(duì)在承擔(dān)國家專項(xiàng)方面，對(duì)富鋰錳基固溶體材料的衰減做了一些工作。另外，值得關(guān)注的新結(jié)構(gòu)的富鋰正極材料，主要是北京大學(xué)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)承擔(dān)，首次研究出比容量400毫安時(shí)/克正極材料，這個(gè)是對(duì)傳統(tǒng)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(shí)/克，現(xiàn)在新結(jié)構(gòu)富鋰正極材料已經(jīng)做到400毫安時(shí)/克，這為實(shí)現(xiàn)鋰離子電池500瓦時(shí)/公斤的目標(biāo)提供了可能性，當(dāng)然，目前這還是基礎(chǔ)研究。

由于富鋰正極電勢高，氧參與反應(yīng)必須到4.4伏以上，而傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)無法匹配，所以可能的途徑是要富鋰正極材料結(jié)合固態(tài)電解質(zhì)，因此基于高容量富鋰正極、高容量硅碳負(fù)極的革新型固態(tài)電池將成為動(dòng)力電池遠(yuǎn)期發(fā)展的重要目標(biāo)體系之一。以前我們一直認(rèn)為是鋰硫和鋰空氣電池是未來發(fā)展方向，現(xiàn)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(duì)轎車來講體積比能量更加重要，因此鋰硫電池對(duì)轎車而言是有挑戰(zhàn)的，它在儲(chǔ)能方面可能更有前景。

最后我要強(qiáng)調(diào)的是，電動(dòng)汽車高比能量動(dòng)力電池的發(fā)展安全永遠(yuǎn)是第一位的。今天上午有很多專家和企業(yè)家都提到了安全，我在這里再次強(qiáng)調(diào)，安全是第一位，比能量等性能指標(biāo)其次。我現(xiàn)在主要研究動(dòng)力電池安全，這是我在清華大學(xué)的電池安全實(shí)驗(yàn)室。

第二部分，電動(dòng)汽車能耗與節(jié)能技術(shù)。

大家知道，現(xiàn)在電動(dòng)汽車總體能耗偏高，節(jié)能潛力很大，節(jié)能的意義比燃油車更大。為什么?因?yàn)殡妱?dòng)車沒有能源就走不遠(yuǎn)，燃油車多點(diǎn)油至少可以走遠(yuǎn)。我自己是純電動(dòng)汽車用戶，已經(jīng)開了幾年純電動(dòng)轎車，我深深的體會(huì)就是電耗偏高。在這方面，全球都在增加續(xù)駛里程，續(xù)駛里程增加需要依托電池的比能量上升，但是整車廠不能把電動(dòng)汽車的技術(shù)提升全扔給電池廠，整車集成的核心技術(shù)就是降低電耗，電耗是純電動(dòng)汽車整車集成水平最重要的體現(xiàn)。大家知道日產(chǎn)聆風(fēng)第一代車能耗為百公里13.7度電，到第二代、第三代基本上都在百公里11度電。理論上計(jì)算， A級(jí)車做到百公里10度電是可能的，所以新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)有一個(gè)研發(fā)計(jì)劃，這個(gè)項(xiàng)目是長安承擔(dān)的，到2020年純電動(dòng)轎車(車長4.5米)整車電耗百公里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(xù)駛里程，這是最佳的途徑。

如何降低電耗?我們有各種各樣的關(guān)鍵技術(shù)，我在這里簡單介紹一下。

首先，我們要學(xué)習(xí)寶馬i3，降重量，我們現(xiàn)在的整車重量都偏大，這里不詳細(xì)介紹。

第二，低阻化，我們要向特斯拉學(xué)習(xí)，特斯拉電動(dòng)SUV的風(fēng)阻系數(shù)0.24，我們傳統(tǒng)燃油SUV風(fēng)阻系數(shù)高的可以到0.4，這個(gè)是相差很大的，直接從傳統(tǒng)SUV改電動(dòng)SUV其實(shí)在能耗方面是不合適的。國產(chǎn)純電動(dòng)乘用車節(jié)能重點(diǎn)之一就是降低電動(dòng)SUV風(fēng)阻系數(shù)，這個(gè)可以采用全新的平臺(tái)，不能完全直接從傳統(tǒng)車改。

第三，電驅(qū)動(dòng)高效化。我們要看到，國外跨國汽車零部件集團(tuán)現(xiàn)在都在競相開發(fā)一體化電驅(qū)動(dòng)橋，并進(jìn)入中國市場，跟我國電驅(qū)動(dòng)企業(yè)短兵相接，我國有些企業(yè)已經(jīng)開始跟他們合資。當(dāng)然這都是企業(yè)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(jī)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(nèi)目前水平普遍在82%-85%。最近國內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè)精進(jìn)電動(dòng)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(gè)目標(biāo)邁進(jìn)。

下一個(gè)就是制動(dòng)能量回收，國際標(biāo)桿車型制動(dòng)回收效率普遍偏高，日產(chǎn)聆風(fēng)能量回收整車能耗的改善幅度是20.5%。日產(chǎn)的E-Power可以單油門操作，制動(dòng)踏板基本不用，這對(duì)降低能耗是非常有意義的。我開過寶馬的車，制動(dòng)回饋都是很重的，在城里開車基本上不用踩剎車。

國內(nèi)制動(dòng)能量回收的技術(shù)已經(jīng)取得進(jìn)展，但是實(shí)際應(yīng)用偏弱，比如清華團(tuán)隊(duì)制動(dòng)回饋技術(shù)應(yīng)用在北汽E150，能耗改善也可以到23.7%，但是實(shí)際車輛的使用和推廣情況不佳，急需改善。

最后就是熱管理，溫度對(duì)實(shí)際運(yùn)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(gè)變化，在冬天續(xù)駛里程都有較大幅度下降。

怎么辦?新一代熱泵空調(diào)技術(shù)已經(jīng)取得重要突破，正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化測試，我們要重視這個(gè)技術(shù)?，F(xiàn)在電池加熱，這些都是成熟技術(shù)，但是有一個(gè)技術(shù)，就是冬天的供暖，如果我們用PTC電加熱，1千瓦就能產(chǎn)生1千瓦的熱，用熱泵空調(diào)COP(制熱能效比)可以達(dá)到3，就算零下25度也可以達(dá)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(wǎng)智能化技術(shù)。

我想說兩個(gè)問題，一是私人購車充電樁配建率在增加，我們的目標(biāo)是“一車一樁”，這個(gè)非常重要，應(yīng)該由整車廠主導(dǎo)。另外一個(gè)我們應(yīng)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(dòng)轎車充電趨勢將是私人交流充電樁日常慢充+公共快充補(bǔ)電結(jié)合。我們現(xiàn)在慢充不存在成本各方面的問題，技術(shù)也沒有什么問題，從現(xiàn)在的接觸式交流慢充到將來無線充電，這條技術(shù)路線也是清楚的。關(guān)鍵是采用什么樣的快充，這個(gè)是當(dāng)前我們面臨的最大問題。

大家知道，歐洲和美國計(jì)劃2020年后車輛電池容量基本上達(dá)到100千瓦時(shí)，續(xù)駛里程達(dá)到500公里，設(shè)定充電時(shí)間15分鐘，提出充電功率350千瓦的要求。 現(xiàn)在北美、歐洲都在推行，日本稍晚一點(diǎn)，但是2022年之后也要應(yīng)用。我國目前乘用車直流快充一般是50千瓦左右，實(shí)現(xiàn)350千瓦的大功率充電，電動(dòng)汽車電壓要提高到1000伏，充電電流400-500安時(shí)，超過現(xiàn)有產(chǎn)品零部件的性能邊界，對(duì)我們現(xiàn)有的純電動(dòng)汽車整體技術(shù)體系會(huì)帶來嚴(yán)重沖擊，對(duì)于整個(gè)方方面面的安全也會(huì)造成重大風(fēng)險(xiǎn)。2017年百人會(huì)將其作為熱點(diǎn)問題已經(jīng)多次討論，與此同時(shí)，中國充電聯(lián)盟也在開展大功率充電的技術(shù)準(zhǔn)備，因?yàn)殡S著電動(dòng)轎車?yán)m(xù)駛里程的增加，電池容量的提高，對(duì)充電設(shè)備配建功率的需求逐步提升，這是不可避免的，因?yàn)樵瓉砝m(xù)駛里程150公里現(xiàn)在提升到300公里，電池原來20千瓦時(shí)現(xiàn)在基本上都要四五十千瓦時(shí)，必然要提高。但是我們也必須從長計(jì)議，基礎(chǔ)設(shè)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(huì)成為發(fā)電主體能源，因?yàn)楣夥膬r(jià)格在持續(xù)下降，估計(jì)在5-10年會(huì)低于煤電。

所以，充電智能化將會(huì)引發(fā)能源革命，我們認(rèn)為，面向未來的是新能源智能化電動(dòng)汽車，我在這里加了兩個(gè)詞，電動(dòng)汽車前面有“智能化”，還有“新能源”，等于什么呢?電動(dòng)汽車+駕駛智能化+充電智能化，我們現(xiàn)在談駕駛智能化比較多、比較熱，我看已經(jīng)快成紅海了，但是充電智能化還是藍(lán)海一片，我認(rèn)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，我們需要開辟另外一個(gè)能源智能化的大空間，而且中國的電動(dòng)汽車有先發(fā)優(yōu)勢，互聯(lián)網(wǎng)有技術(shù)優(yōu)勢，光伏技術(shù)有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，如果三個(gè)優(yōu)勢進(jìn)行整合，我相信我們的換道超車一定能實(shí)現(xiàn)。

通過分析我們認(rèn)為，未來的充電發(fā)展愿景是以電池儲(chǔ)能V2G微電網(wǎng)為主，就是車電互動(dòng)，以分布式可再生能源與電動(dòng)汽車微電網(wǎng)協(xié)同平抑快充負(fù)荷。大家知道，快充幅度提高之后，電動(dòng)車快充功率峰值很大，同時(shí)可再生能源也是間歇的峰值，怎么樣兩個(gè)峰值協(xié)調(diào)互動(dòng)，達(dá)成平衡穩(wěn)定的電網(wǎng)，這是我們必須要盡快研究和落實(shí)的。所以我們提出一個(gè)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(bǔ)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(gè)小時(shí)充到60%，5-10年15分鐘可以充到75%，這是我們基本的發(fā)展愿景。

最后，我們希望個(gè)人充電樁力爭1：1配套，成為充電主體的情景下，電動(dòng)乘用車公共快充補(bǔ)電站發(fā)展大概分為三個(gè)階段：

一、從目前到2020年，從小于60千瓦的快充到小于150千瓦的快充，我們推廣自用樁，同時(shí)研究以大功率快充為代表的各類充電技術(shù);

二、在2020年2025年，示范新一代充電技術(shù)，大規(guī)模的V2G示范應(yīng)用;

三、2025年之后，推廣新一代充電技術(shù)、大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施改造，實(shí)現(xiàn)新能源智能化，除了自動(dòng)駕駛的智能化還要實(shí)現(xiàn)新能源的智能化，滿足乘用車的快速補(bǔ)電需求，同時(shí)帶來整個(gè)能源交通系統(tǒng)的革命。