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我国新能源汽车技术发展趋势分析

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我国新能源汽车技术发展趋势分析

发布日期:2018-11-16 作者: 点击:

我国新能源汽车技术发展趋势分析 

摘要:目前,我国新能源汽车产业发展进入了成长期,新能源汽车的产销量得到了大幅增长。在技术路线的发展上,“三化一体”的趋势逐渐明显,产品在性能、成本、安全性等各个方面取得了一定的技术进步。随着电动化的进一步加强,汽车与能源、电力等行业的关系日益紧密,储能与V2G技术将成为下一步发展重点,对充电技术的研究和基础设施的规划也在进行中。中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高在“锂产业国际高峰论坛”上针对以上问题进行了分析,本文为欧阳明高发言整理。

“十二五”以来,中国新能源汽车市场经历了一个快速的增长过程,2011年—2016年,我国新能源汽车产销量从不足5000辆发展到51万辆,保有量从1万辆提升到100万辆,在5年间实现了产量、销量的100倍增长,占全球新能源汽车产销量的50%,新能源汽车的销量到2016年已经超过总销量的1.8%,今年还将继续增长,预计将达到70万辆左右。

政府推出的一系列政策,促使新能源汽车产业经过了初期的培育期,进入了成长期。最近新一轮的政策出台,为新能源汽车从培育期到成长期过渡奠定了良好的政策基础。目前,中国新能源汽车产业已进入到重要的发展节点。

一、新能源汽车技术取得了新进展

1.以锂离子动力电池为代表的核心技术取得重大突破。中国动力电池的技术发展经历了三个五年计划:“十五”是锰酸锂电池,“十一五”是磷酸铁锂电池,“十二五”是三元电池,“十三五”是高比能量的新一代锂离子动力电池。系统的比能量是在逐年的提升,在过去五年间提高了近一倍,同时,动力电池系统的成本也在逐年的下降,在过去五年间下降了一倍以上,预计到2020年,将在动力电池的成本方面实现1元/瓦时的目标。目前,我国的动力电池产业取得了重大突破,从2015年全球排名前十名中占据四位到2016年六个企业进入前十强。

2.在“纯电驱动”动力系统集成技术上取得快速发展。我国从2013年开始在大中型客车和微小型电动轿车起步,现在已经进入常规的家用主流轿车。乘用车平均续驶里程从150公里现在已经提高到300公里以上;纯电动商用车的总体技术水平在全球处于领先地位,并且实现了批量出口。

3.在插电式混合动力技术逐步成熟。目前各大汽车厂家都有比较成型的混合动力汽车的构型,基本上攻克了核心技术。

4.燃料电池开始起步。我国在燃料电池路线上选择的是燃料电池混合动力汽车,包括商用车的燃料电池深度混合动力和轿车的增程式燃料电池汽车。今年将会是燃料电池商用化的元年,其发展规模和速度不会像锂电池电动汽车一样迅速,而将会是一个长期稳步的发展过程。

二、新能源汽车技术发展的现状

1.确定了“三化一体”的发展方向

在“十三五”新能源汽车科技研发上,我们制定了新能源汽车技术升级战略,实现电动化、智能化、轻量化相结合,三个战略相互关联。另一方面,将从基础科学、共性核心技术、系统集成、集成开发示范分为四个层次进行全方位的开发,系统集成仍然是三大动力系统,对于共性核心技术的内涵还将进行进一步的挖掘。从动力电池的角度,进一步强调电池管理;在电机驱动的角度,进一步强调电力电子;在电控的角度,将其转型为智能化技术,在基础科学和示范考核方面继续推进,实现全创新链一体化推进。

2.重视高性价比产品的开发

未来五年,纯电驱动方面的主要目标是提高家用主流轿车的性价比,使其具备技术竞争力。家用主流轿车指的是性价比相对比较高的轿车,也是电动汽车跟传统汽车竞争最为激烈、难度最大的一个区域。对于家用主流轿车来说,性价比就是里程成本比,即在提升里程的前提下尽量减少成本的升高。要实现这个目标,我们不仅需要改进电池性能,减少整车电耗,提高整体效率,还需要实现充电设施的便利以及安全管理。

为了实现高性价比,在技术方面,我们下一步的主要技术目标是A级,尤其是A0级的轿车,其电耗降到接近百公里10度电,产业化后,续驶里程为300公里左右的车型,能够和传统轿车竞争。目前根据车型和结构不同,相应的续驶里程也不一样。比较合理的里程分布是,A00级轿车为200公里,A0级为300公里左右,A级以上为350-400公里,少数豪华车500公里。

3.加强电池性能的提升

要实现合理的里程的分布,最重要的是要提升电池的性能。目前的电池比能量是180瓦时/公斤,预计到2020年,将提高到300瓦时/公斤,体积比能量达到500—600瓦时/升,这将满足各类轿车的使用需求。

在300瓦时/公斤比能量电池的研发中,正极材料是NCA、NCM,负极材料是硅碳,目前正在开发的过程中。国内已有部分负极材料企业,如贝特瑞等,已经把硅碳材料用在了300瓦时/公斤的电池上。

4.安全管理取得重大进展

我们在高比能量安全性方面也取得了重大进展。以电池的安全性为例,最容易发生事故的不仅仅是单体热失控,而是单体热失控之后的整个系统扩展,如果不加以预防和控制,将造成重大事故。

在这方面我国做的工作处于全球领先地位。无论是串联电池热失控的扩展、测试和建模预测,还是并联热失控的扩展、蔓延,都是我们最早做出来的,并且在此基础上进行了大型的机理分析。在热稳定性方面,我们通过DSC来研究各种材料的热稳定性,并且通过测试分析找到各种材料的热稳定性的特性,目前已经能够做到在电池设计阶段就预测它的热失控特性。同时,我们也已经找到防止热扩展的技术,避免热失控的扩展,从而避免事故。

5.降低电池成本仍是研究重点

电池的成本是现在行业关注的最重要的问题。要降低成本,需要全产业链发力,并在重点环节突破。在原材料方面,目前,碳酸锂的价格出现大幅上涨,达到15—17万元/吨。行业专业人士认为,合理价格应该是3—5万元/吨。原材料价格的高企是目前电池成本增高的一个最重要的环节,除此之外,和电池成本相关的还存在生产制造的良品率和一致性提高以及材料回收和再循环的问题。以钴资源为例,这些稀有资源基本上以进口为主,必须要回收利用。在电池成本中,材料成本占了50%,有效减少原材料成本是降低电池成本的重要方面。

在电池总成本方面,新能源汽车对于电池成本的目标要求可以按照燃油车的内燃机动力系统来进行等价计算,即电池系统大概在100美元/千瓦时,可以跟传统内燃机动力完全等价。目前,全球电池系统每千瓦时平均价格,在2020年大约在1000元人民币、100美元和100欧元之间。目前我们的目标是2020年达到1000元人民币/千瓦时,但是国外有可能实现100欧元/千瓦时,要使我们的产品更有竞争力,下一步要努力的方向是实现100美元/千瓦时的价格。

三、新能源汽车技术发展的趋势

1. 动力电动化和能源低碳化相结合

对于电动汽车而言,评判其碳排放高低的指标,关键在于它使用的电从何而来。电动汽车要做到低碳排放,也必须跟低碳能源相结合,做到近零排放。另一方面,电动汽车和可再生能源结合的重点在于储能。现在由于没有储能,弃风、弃水、弃光问题非常严重。据统计,2016年的弃风、弃光、弃水量达到1500亿瓦时,如果能够利用起来,可以满足1亿辆电动轿车的用电需求,换算成电池大约是50亿千瓦时的电池;如果用功率来算,2倍倍率就是100亿千瓦,按照目前中国10几亿千瓦的装机量来算,将能够实现十倍的装机量。习主席说,要推动能源生产与消费的革命,新能源汽车是可以推动能源变革的重要途径之一。特斯拉已经在这方面作出了很好的典范,他们跟太阳能SolarCity合作,已经在进行这方面的尝试。因此,目前虽然有各种各样的储能的手段,但是从规模、成本各方面来看,储能最终的出路还是要靠锂离子电池和电动汽车,电动汽车的储能功能可以说是解决可再生能源间隙性的根本出路。

2.V2G技术前景可观

为了实现电动汽车的储能功能,V2G技术的发展极为必要。V2G技术是以车辆的蓄电功能为基础,支持智能电网工作的一种应用方式,电网可以给电动汽车充电,电动汽车也可以给电网回馈电。将电动汽车作为电网的储能装置,是我们未来的发展目标。在这方面,比亚迪公司已经进行了一些探索,取得了一定的成绩,他们的交流快充就具备这个功能。根据中国汽车工程协会《节能与新能源技术路线图》最新的预测,2020年,我国新能源汽车的产销量将在200万辆左右,之后将进入到高速的成长期;到2025年,我国新能源汽车的产销量大约在800万辆左右;到2030年,我国新能源汽车的产销量将达到汽车总销量40%,大约为1500万辆,全球新能源汽车产销量的平均值大约占汽车总销量的30%,这对于电动汽车的V2G技术而言将有一个很好的发展前景。

四、我国新能源汽车技术面临的挑战与建议  

汽车动力电动化几起几落、多元探索,不同的行业有不同的角度和不同的取向。中国的模式是以纯电动为基础平台,在此基础上发展插电式混合动力、燃料电池混合动力,最后突破常规的混合动力技术和全功率燃料电池技术。中国新能源汽车产业化率先发力,得益于锂离子电池的后来居上、技术进步超出预期,我国的技术路径得到了全球范围的跟随。

2016年是全球纯电驱动技术转型的标志性年份,各个汽车工业的发达国家都进入了转型期,福特、通用、本田、丰田、大众等各大车企都在进行转型,开始跟随我们的路径,但是采取新的战略。以欧洲汽车厂商为代表的国际大汽车公司提出到2020年后,新能源汽车实现与燃油车的全方位竞争:车辆续驶里程500公里、电池容量到100度电、充电时间15分钟跑500公里、快充功率350千瓦……这将是技术门槛不断提高的过程,尤其是安全性的挑战将会全方位的倍增,这是我们中国新能源汽车面临的新挑战。

为了应对这个挑战,我们的建议是:

第一,评估大功率直流快充的安全性技术门槛。要实现350千瓦的充电,电动汽车的电压将提高到1000V,充电电流为350安,这会对整车电气安全、电池安全、充电安全、电网安全带来重大技术挑战,所以我们要充分考虑中国国情,制定科学合理的充电技术标准。

第二,制定充电技术与基础设施中长期发展规划。目前我国新能源汽车发展最大的短板在于充电,即现有的充电设施不能满足新能源汽车发展的需求,而新一代的充电技术又在挑战我们的安全风险,所以我们在这方面必须要进行充分的研究。今年中国电动汽车百人会在技术角度重点研讨的就是大功率直流快充以及充电基础设施的发展,将通过组织行业内的专业人士进行充分的研讨,为政府的标准制定和政策发布提供良好的参考建议。

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