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中国新能源汽车技术路线的回顾与展望(三):动力电动化发展前景

发布时间:2019-04-25 07:43 来源:未知 编辑:admin

  我国新能源汽车技术路线 年:国家中长期科技发展规划确立了节能与新能源汽车战略(低能耗与新能源汽车);2009年-2012年:科技部与工信部发展规划确立了“纯电驱动”技术转型战略;2014年:发展新能源汽车受到中央领导核心的重视,习总书记亲自确立了发展新能源汽车的汽车强国战略,开启了中国新能源汽车产业化新阶段;2018年11月:全国政协召开“促进新能源汽车产业健康发展”双周座谈会,一些委员建议研究制定面向 2035年新能源汽车发展战略规划,尽快明确分类别、分地区的禁售燃油车时间表,稳定产业发展预期,开启了新一轮战略讨论的序幕。

  中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高以亲历者身份回顾和展望了中国新能源汽车技术路线的探索、实践与创新过程,希望能够对新能源汽车下一步发展战略的制定提供参考。本文是从作者即将由科学出版社出版的专著《汽车动力系统学——电控发动机系统、动力电池系统、燃料电池系统、混合动力系统》第一章:节能与新能源动力系统概论部分内容改写而成。力图用尽可能通俗的语言,厘清与发展战略和技术路线相关的发展理念、技术概念、论证逻辑、演变脉络等,以便相关讨论能够在相互理解的思维方式和话语体系中顺利展开,促进我国新能源汽车更好更快发展,早日实现汽车强国目标。

  锂离子动力电池应用于电动汽车以来能量密度不断提升。国际上主流动力电池和新能源汽车企业的共同目标是2020年前实现单体电池比能量达到300瓦时/公斤,使电动汽车达到与燃油汽车大体相当的续驶里程。目前,国内企业宁德时代等已经成功开发出了300瓦时/公斤的大容量软包型锂离子电池产品,计划2020年前在全球率先投放市场。从车用角度看,体积能量密度显得更为重要,其它高比能量电池如锂硫电池难以车用的主要原因是因为体积比能量低。而这方面锂离子电池具有优势。正如国际著名电池专家Jeff Dahn所言:锂离子电池很难在体积能量密度上被击败。从这个角度看,锂离子电池具有成为动力电池主流技术的潜质和前景。但是高比能量锂离子电池的安全性始终是一个瓶颈。解决这一难题一方面要靠热-机-电系统技术抑制电池热失控的诱发与蔓延;另一方面要从长计议,从改善电池本征安全性出发,发展新型固态电池技术。近年来国际上在无机硫化物固体电解质方面取得重要突破。但受制于固/固界面稳定性问题,固态电池发展可能要经历从液态→半固态→固液混合→固态,最后到全固态过渡的发展阶段。基于对国内动力电池技术和产业基础的分析,以及对标国际动力电池发展技术水平和目标,“十三五”国家重点研发计划《新能源汽车》总体专家组于2017年底提出我国动力电池技术发展技术路线 动力电池技术发展技术路线

  面向2020年发展目标,动力电池技术发展重点是开发高镍三元正极材料、硅碳负极材料和宽电压窗口电解液。到2025年材料体系有望升级,采用更高比容量的富锂材料,高容量的硅碳负极,逐步开始向固态电解质转型。到2030年,全固态电解质预计有望实现大规模商业化。考虑电池的循环利用价值,全球电池系统价格变化趋势大致为:2020年为700-1000元/千瓦时,2025年为700-800元/千瓦时。对于磷酸铁锂电池等低成本锂离子电池,上述价格目标将提前实现。研究结果显示,基于全生命周期成本计算,当电池价格达到100美元左右时,纯电动汽车与燃油车相比将具备性价比优势。

  除了电池核心技术之外,纯电动汽车的发展还取决于电动汽车整个技术链。当前,纯电动汽车使用存在的主要抱怨之一是实际续驶里程低于期望值。虽然平均标称续驶里程比5-6年前提高了一倍左右,但实际续驶里程对气温和驾驶风格过于敏感。而靠增加电池加大续驶里程的做法又会导致车重增加和电池安全性风险上升以及性价比下降。这一外在表现的内在实质是整车集成技术水平偏低和充电基础设施发展滞后,具体体现在整车百公里电耗偏高和充电不方便。这些问题预计今后5-7年将逐步得到解决。

  在整车电耗方面,2020-2025年之间,电机驱动系统将在高效化、小型化方面出现技术飞跃,以碳化硅为代表的新一代小型高效电力电子器件将普及应用,推动驱动电机朝小型高速低成本方向发展,美国能源部发布的2025年规划提出了极具挑战性的目标:电机比功率达到50千瓦/升,电机控制器比功率达到100千瓦/升。此外,新一代热管理技术,如热泵空调的普及应用将进一步提升纯电动汽车环境适应性和能效,将使冬季低温环境下续驶里程损失比现有车型降低2/3。在此基础上,整车轻量化与能效综合优化技术将使百公里电耗进一步降低,并大幅降低电耗波动性和里程敏感性。日产凌风车型在此方面已经做出标杆——家庭小型纯电动汽车NEDC标准工况测试百公里电耗接近10千瓦时。此外,电动汽车智能化技术将大发展。OTA(空中下载技术)将普遍应用,整车企业的车载控制平台将对外,形成开放生态。直接面向终端客户的车辆能耗等性能优化APP软件将极大满足多元化客户的个性化需求。

  在充电方面,我国现有配电负荷与电压制式非常适合小功率慢充,要充分发挥这一优势,尽快使现有电动乘用车交流慢充桩做到每车必装,成为主体供电模式。长远看,这一能量供给模式还能使大规模推广使用的电动汽车在分布式可再生能源互联网中发挥重要作用。此外,应急补电快充时间将缩短到10-15分钟。这里,快速补电只用作辅助手段。这一定位是从电池、整车、基础设施、电网以及可再生能源转型等全方位综合考虑得到的结论。现有直流大功率快充和换电等对现有主流技术体系改动太大,代价太高,与其定位不太符合,预计今后5-7年新一代快速补电技术将会出现。

  与此同时,世界上最严排放法规国六标准将在国内实施,传统汽车技术将进一步复杂化,导致成本上升,使新能源汽车与传统燃油车相比的性价比拐点提前到来。据此,中国纯电动汽车的推广进程预测如图1所示。相应的电动乘用车充电方式预测如图2所示。

  根据奔驰、丰田、现代等在燃料电池领域具有技术优势的国际大公司预测分析,面向2025年锂离子电池电动汽车与氢燃料电池汽车的成本优势对比,燃料电池汽车在长途重载大型交通运载工具中具有优势。总体而言,锂离子电池动力系统更适合取代汽油机,而燃料电池动力系统更适合取代柴油机。在燃料电池早期发展阶段,曾试图发展纯燃料电池动力系统。但经过多年探索,尤其是我国在2000年-2005年的研发贡献,目前燃料电池与动力电池的混合动力已经成为燃料电池动力系统的主流技术路线。我国燃料电池汽车的产业化是以纯电动和插电式混合动力为基础平台的。因此,商业化初期均采用了小功率燃料电池与动力电池的深度混合动力构型,使成本降低,耐久性提高。从全球看,燃料电池汽车相比纯电动汽车的产业化进程约晚10年左右。预计2020年将是燃料电池汽车技术在部分车型和局部市场率先突破,并取得竞争优势的关键年份。2025年前燃料电池汽车技术将逐步成熟,但还将面临制氢、运氢、加氢、储氢等氢能技术效率偏低和成本偏高的问题。预测在2025年-2030年间将取得氢能技术新一轮突破,从而实现氢能与燃料电池技术的全面成熟以及在交通与能源领域大规模全方位市场渗透。中国燃料电池技术与国际先进水平的差距主要表现在以膜电极为代表的基础技术和以高速无油空压机为代表的总成技术上。此外,与动力电池相比,燃料电池的产业链还很薄弱。但是目前中国燃料电池产业化态势全球最佳,已经吸引了全球相关资源的深度参与和全面聚集,预计在今后5-10年有可能达到与目前中国锂离子电池国际地位相当的水平。

  根据笔者等在《节能与新能源汽车技术路线》研究中得到的初步结果。中国燃料电池系统发展将以2020年、2025年及2030年为三个关键时间节点:

  2020年,燃料电池混合动力系统进入产业化应用。在这一阶段,燃料电池发动机体积功率密度达到400W/L(乘用车),质量功率密度达到450W/kg(乘用车)和300W/kg(商用车);最低冷起动温度达到-30℃,满足中国绝大部分地域冬天起动需求;寿命达到5000小时(乘用车)和10000小时(商用车)。

  2025年,通过提升燃料电池发动机额定功率、功率密度、效率及环境适应性,大幅提高燃料电池系统性能。燃料电池发动机最高效率达到60%,体积功率密度达到600W/L(乘用车),质量功率密度达到550W/kg(乘用车)和400W/kg(商用车);最低冷起动温度进一步降低至-40℃,完全覆盖中国所有地域冬天起动需求;寿命达到6000小时(乘用车)和20000小时(商用车)。燃料电池客车在北方寒冷地区技术竞争力超越纯电动客车。

  2030年,氢能燃料电池技术在交通和能源领域大范围推广应用。燃料电池发动机最高效率达到不低于65%,体积功率密度达到850W/L,质量功率密度达到650W/L;寿命达到8000小时(乘用车)和30000小时(商用车)。大功率燃料电池长途卡车将替代柴油卡车。

  2018年,我们更新了2016年《节能与新能源技术路线图》对我国氢能与燃料电池汽车阶段性发展目标的预测:2020年,实现氢能及燃料电池汽车规模化示范运行和商用车产业化。基本掌握高效氢气制备、纯化、储运和加氢站等关键技术;基本掌握低成本长寿命电催化剂技术、聚合物电解质膜技术、低铂载量多孔电极与膜电极技术、高一致性电堆及系统集成技术,突破关键材料、核心部件、系统集成等关键技术。示范车辆达到5000-10000辆。2025年,建成氢能燃料电池产业链,大幅降低燃料电池系统成本。以商用车为主实现氢能及燃料电池汽车技术的规模推广应用。累计应用规模达到5-10万辆。2030年,建立具有国际竞争力的完备的燃料电池材料、部件、系统产业链。氢能燃料电池汽车技术在性价比上取得突破。突破新一代氢能技术,氢气来源主体为可再生能源。实现氢能及燃料电池汽车的大范围大规模推广应用。燃料电池汽车累计规模达到百万辆。同时,氢能燃料电池技术在各种交通工具和能源储存及发电领域广泛推广应用。

  发展混合动力有两条宏观技术路径:一是从内燃机动力往上发展,一条是从纯电驱动平台往下兼容,如图3所示。日本属于前者,以常规混合动力为特色;中国主要选择了后者,以插电式混合动力为特色。宏观技术路径往往对具体技术路线有很大影响。

  为了研究混合动力技术路线,笔者课题组先后测试了通用功率分流构型纯电型插电式混合动力VOLT(通用称为增程式电动汽车)、本田分时串并联式混合型插电式混合动力I-MMD、日产串联式常规混合动力e-POWER,找到了各国和各大公司混合动力技术路线的特点。日本汽车具有高效节能的传统优势,这在混合动力的开发中得到充分体现。基于阿特金斯发动机等高效内燃机和可变电压的电动机外特性输出控制以及先进的机电耦合装置等核心优势技术,日本引领了常规混合动力的产业化潮流,尤其是深度混合动力的世界领先者,先后有丰田的功率分流型、本田的串并联型和日产的串联型等混合动力产业化标杆技术和车型出现。其插电式混合动力汽车也是基于常规深度混合动力开发的,纯电续驶里程短,这种构型在电池成本较高的情况下具有成本优势。欧洲以德国为代表更加重视从微混合、轻混合到深混合、插电式混合动力系统的系列化并在全系列车型主要采用并联构型,其中深度混合以驱动电池安装在发动机离合器和变速器之间的所谓P2构型为主要特色。选用P2构型的原因主要有:(1)高速公路不限速,需要多档变速器,同时变速器技术成熟;(2)柴油轿车多,输入扭矩大,也需要多档变速器;(3)纵置后驱车型多,便于布置。美国以通用公司为代表直接进入纯电型插电式混合动力阶段,其插电式混合动力系统构型复杂,纯电续驶里程较长,受到美国市场欢迎。中国新能源汽车产业化力推“纯电驱动”,常规混合动力汽车受到抑制,插电式混合动力汽车发展迅猛。在法规引导下,中国插电式混合动力纯电续驶里程长,均在50公里以上,故综合油耗低,同时混合动力构型与控制可以更简单并且回避了在内燃机性能方面的弱势,形成了具有中国特色的插电式混合动力发展技术路线。

  对于常规混合动力汽车,其使用油耗与道路工况有很大关系。在拥堵的城市工况,由于车速较低且需要频繁的加速和减速,使用串联混合方式可以将发动机与负载工况解耦,与传统汽油车相比,混合动力汽车的节油效果显著。而高速公路工况相对稳定且负荷率也相对更高,因此从节油角度,发动机直驱或者并联混合较好。丰田Prius功率分流式混合动系统同时具有串联和并联功能,一直是常规混合动力的国际标杆。但随着混合动力技术的多元化发展,不同混合动力系统构型均能实现功率分流式混合动力的高性能,如表2所示。日产的串联式混合动力NOTE e-POWER在能效和市场接受度上与丰田功率分流式混合动力的激烈竞争就是很好的例证。因此,中国发展常规混合动力不一定要完全走功率分流的模式,全系列模块化与构型一体化的欧洲模式更值得我们学习。

  对于混合型插电式混合动力汽车,其与常规混合动力不同,由于存在电量下降阶段和电量保持阶段两个工作阶段,且可以使用外部提供的电能驱动车辆,因此其节能减排效果好于常规混合动力汽车。混合型插电式混合动力汽车的油耗计算比较复杂,包括电量下降阶段油耗、电量维持阶段混合动力油耗、百公里综合油耗(两阶段里程在百公里中占比加权油耗)、基于出行特征的统计平均油耗等多种油耗。其中,第四种油耗是最重要的使用油耗。在车辆每天行驶的里程中,电量下降阶段里程的利用率越高,则车辆的使用油耗越低。近年来,中国插电式混合动力技术进步十分迅速,市场不断扩大。插电式混合动力电量下降阶段里程也正在从50公里逐步提高到70公里,甚至100公里。随着插电式混合动力电量下降阶段里程的增加,则电池容量功率也大幅提高。因此,电量下降阶段发动机没有必要启动助力,从而实现纯电动。也即中国特色的插电式混合动力不是混合型插电式,而是纯电型插电式。

  对于纯电型插电式混合动力汽车,其只有在电池电量维持阶段才是混合动力。因此它是节能减排效果最好的混合动力汽车。以通用公司VOLT车型为例,其纯电行驶里程为64公里,按照极端情况计算,如果每天出行都在64公里以内而且每天可以充电,则使用油耗为0。按照出行特征统计规律,以平均行驶里程较长的美国出行特征计算的百公里油耗统计平均值为2.8升,而以平均行驶里程较短的中国出行特征计算的百公里油耗仅为统计平均值0.86升,与同级别燃油车相比可以省油90%左右。随着动力电池的技术进步与成本降低,纯电型插电式混合动力将会成为具有中国特色和优势的乘用车主流车型。

  由于当前行业热点——增程式电动汽车实质上是串联构型的纯电型插电式混合动力。因此,如何理解和发展纯电型插电式混合动力是当下我国新能源汽车技术路线的关键问题之一。无论什么构型的纯电型插电式混合动力,在电量下降阶段都是纯电动。因此,问题的关键在于电量维持阶段的混合动力模式。而在不同的构型中,并联构型的纯电型插电式混合动力相较于串联构型,具有成本、动力性与经济性三方面的优势。首先,成本方面,串联纯电型需要两个电机及驱动减速器;并联纯电型则仅需一个电机并辅以变速器,而传统的变速器又可以进一步简化以降低成本。例如,将传统的双离合器变速器简化为单离合器加电机同步调速换挡。因此,在发动机和驱动电机功率相等的情况下,串联纯电型与并联纯电型的成本差取决于串联系统发电机+驱动减速器的成本与并联系统变速器的成本之差。其次,动力性方面,并联纯电型在混合动力模式下驱动功率是发动机和驱动电机功率之和,串联纯电型的驱动功率则仅等于驱动电机功率。再者,经济性方面,在驱动电机与动力电池相同的情况下,两者的纯电动模式驱动效率与制动能量回馈效率没有差别;而当两者处于混合动力模式驱动时,在高速公路行驶工况的负荷率较高、工况点较集中,两者都可以采用高效的混合动力专用发动机,且将发动机工作点保持在高效区,而串联需要先由发动机发电、再由电动机驱动车辆;并联则由发动机直驱辅以电动机驱动,因此混合动力模式下,并联纯电型的驱动效率不低于串联纯电型。不仅如此,目前,以上汽为代表的中国插电式混合动力企业正在探索的低成本并联纯电型插电式混合动力[28],其成本目标是:购置与使用综合成本与双电机常规深度混合动力基本相当,但节能减排效果更好。从而可以与国外常规混合动力的王牌——节油率40%以上的双电机深度混合动力进行市场竞争,解决我国深度混合动力长期落后于国外的老大难问题。因此,发展成本更优、节能减排效果更好的低成本并联结构的纯电型插电式混合动力汽车是自主混合动力应对国际竞争的一条独具特色的创新技术路线。

  混合动力系统一个无法回避的核心技术是内燃机技术。现有轿车发动机经过多次技术革新已经在节能减排方面具备很高水平。主要问题是我国内燃机技术相对落后。随着纯电型插电式混合动力的发展,发动机的运行工况变化相对收窄,理论上降低了发动机开发难度并更容易采用效率更高和燃料容忍度更大的新技术,例如旋转式汪克尔发动机、微型燃气轮机、自由活塞式发动机等。但从国内外多年来的研发历程和笔者课题组的研究经历看,要想在性能、成本以及基础设施配套便利性等全方位超越现有轿车发动机难度很大。总之,混合动力专用发动机不宜定位为长线技术,但想短期获得颠覆性突破又面临重大技术挑战。因此,当前的主流技术路线仍然是在现有轿车发动机基础上进行持续地、一点一滴地改进。

  混合动力发展需要解决的另一个重要问题是如何实现从纯燃油动力到混合动力的平滑过渡和纯电动动力与混合动力的无缝连接。因此,模块化与平台化发展将是主要技术路径。基于原有的动力系统技术平台,进行关键子系统模块化组合与替换,向具有更好适应性和可行性的多种动力系统不断进行技术推进与更迭将是主要的技术路径。如图4所示,基于传统内燃动力平台,可以发展模块化并联式混合动力系统,并逐步演变为并联纯电型插电式混合动力系统。国内一些骨干企业正在实践这一技术路线。基于纯电动平台,可通过添加传统内燃机动力源形成串联纯电型插电式混合动力系统,即增程式电动汽车(通常不是全性能型,而是城市型),进一步可向下兼容串联式混合动力,进而再通过动力源的模块化替换可以演变为燃料电池串联混合动力系统。以日产的技术发展路线为例,日产以其纯电动汽车Leaf为平台,增加发动机和发电机等模块后,研发出串联混合动力汽车NOTE e-POWER,进而以燃料电池系统进行动力源模块化替换,演变为串联燃料电池混合动力汽车e-Bio Fuel Cell。

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