我國新能源汽車技術(shù)路線經(jīng)過了長時間的演變,從節(jié)能與新能源汽車到純電驅(qū)動技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略,再到新能源汽車強國戰(zhàn)略。今天我們從技術(shù)角度來展望一下未來的發(fā)展。
純電動力技術(shù)展望
自2008年鋰離子動力電池應(yīng)用于電動汽車已經(jīng)10年,實際裝車產(chǎn)品的能量密度提高了2.5倍,實現(xiàn)了蓄電池領(lǐng)域百年來革命性的突破。2020年我們的目標(biāo)是300瓦時/公斤,這是的共同目標(biāo),而中國也已經(jīng)*做好了準(zhǔn)備。
從車用角度看,重要的是體積能量密度而不是重量能量密度,鋰離子電池在這個方面是具優(yōu)勢的?，F(xiàn)在的鋰硫電池、鋰空氣電池,雖然理論重量能量密度比較高,但體積能量密度目前還很難超越鋰離子電池。
在這個方面,我們認(rèn)為鋰離子電池具有成為動力電池主流技術(shù)的潛質(zhì)和前景,但發(fā)展瓶頸是高比能量動力電池的安全性。2018年出現(xiàn)了一些安全事故,這些事故車輛使用的電池基本上是在2016年左右生產(chǎn)的,大概是NCM523體系。隨著高鎳的應(yīng)用,電池的熱穩(wěn)定性將會變差,未來安全性風(fēng)險會更大,所以必須采取手段來預(yù)防安全性問題。
首先,當(dāng)前鋰離子電池從單體層面*杜絕熱失控是不太現(xiàn)實的,我們可以從電池系統(tǒng)的熱機電設(shè)計與控制設(shè)計來防止誘發(fā)和蔓延,即便單體出現(xiàn)熱失控也不會發(fā)生事故。
其次,從改善電池本身安全性出發(fā),要發(fā)展新型的固態(tài)電解質(zhì)電池。近我們與日本專家討論,日本為應(yīng)對中國和韓國電池產(chǎn)業(yè)的崛起,舉全國之力研發(fā)下一代固態(tài)電池,每年政府經(jīng)費達(dá)到50億～100億日元。美國和歐洲原有的電池產(chǎn)業(yè)是比較薄弱的,他們也在全力開發(fā)新一代固態(tài)電池,以實現(xiàn)超越。
中國電池產(chǎn)業(yè)雖然暫時取得優(yōu)勢,但競爭壓力巨大,需要全力追趕固態(tài)電池前沿技術(shù)。當(dāng)前國內(nèi)也有一些固態(tài)電池,但還不是全固態(tài)電池,全固態(tài)電池大規(guī)模商業(yè)化估計在2025—2030年才會真正實現(xiàn),需要我們持續(xù)的努力。
根據(jù)國內(nèi)外的形勢,總體來看,電池正極發(fā)展方向是減鈷到無鈷,負(fù)極將是加硅,硅的含量將逐步提升,甚至是全硅。電解質(zhì)要減少有機溶劑,逐步提高鋰鹽的濃度,但是未來可能要開發(fā)全固態(tài)電解質(zhì),但是全固態(tài)電解質(zhì)目前還有很多技術(shù)瓶頸需要克服,需要逐步開展。
除了電池,大家目前關(guān)注的可能是續(xù)航里程,解決了電池并不能解決續(xù)駛里程的全部問題,目前續(xù)航里程已經(jīng)從150公里提高到普遍300公里以上,但是客戶的抱怨并沒有隨之而減少,因為實際的續(xù)航里程低于期望值。靠增大電池裝載量來增加續(xù)航里程不是根本出路,主流技術(shù)路線是提高電動汽車能效和充電便利性。
首先,在能效方面,電驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)變革將會在未來5年發(fā)生,即電機驅(qū)動系統(tǒng)高速化、化、小型化,現(xiàn)在轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到1.8萬轉(zhuǎn)/分鐘,未來可能會到2萬轉(zhuǎn)/分鐘;電機的體積、重量逐步減少,由于電機材料成本下降,電機成本也會下降。
其次,以碳化硅為代表的新一代高頻、電力電子將普遍使用,這也將會支撐高速電機的發(fā)展,使電機向小型、、低成本方向發(fā)展。
另外是熱管理,新一代熱泵空調(diào)技術(shù)已經(jīng)取得重大突破,并開始產(chǎn)業(yè)化推廣,現(xiàn)在已經(jīng)有企業(yè)裝車,這會降低對氣溫的敏感性,使冬季低溫環(huán)境下續(xù)航里程的損失比現(xiàn)在降低2/3,從30%降到10%。還有就是整車能效優(yōu)化集成技術(shù)的突破,可以說電耗是整車集成技術(shù)水平重要的指標(biāo),電動車的節(jié)能比燃油車更重要,應(yīng)該采用法規(guī)來管理。
再一個就是充電的便利性,一是充電體系的建設(shè),二是快充技術(shù)的突破。中國是220伏的電壓,非常適合小功率慢充?，F(xiàn)在應(yīng)該盡量使家用轎車都配置慢充樁,這將成為主體的供電模式,未來成為能源互聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點;10～15分鐘的快速充電是*的,但快充的定位是應(yīng)急,不是主體充電的模式,快充占比大概承擔(dān)15%～20%。現(xiàn)在的350千瓦直流快充和換電代價都太大了,還不理想。預(yù)計今后5～7年,安全可靠的快充技術(shù)將會出現(xiàn),這一塊創(chuàng)新空間很大。
面向未來,我們對電動汽車市場化路線圖做一個簡單展望。國內(nèi)外研究顯示,2025年電池系統(tǒng)的價格將會達(dá)到100美元/千瓦時左右,其實我國的磷酸鐵鋰時代會提前達(dá)到。基于全生命周期的成本,計算燃油汽車的價格和全生命周期的費用,燃油車和電動汽車將會持平,另外嚴(yán)格的排放法規(guī)即將實施,燃油機的成本將會上升,拐點即將到來。我們認(rèn)為在2025年左右,純電動汽車性價比會實現(xiàn)大的突破。
混合動力技術(shù)展望
混合動力一般來講是比較復(fù)雜的,尤其是對于非汽車、非發(fā)動機行業(yè)人來說,容易混淆。首先是常規(guī)混合動力,即不可充電的混合動力,日本豐田、本田、日產(chǎn)分別開發(fā)了代表性的深混技術(shù),了常規(guī)混合動力的潮流。但我們也看到,去年以來,日本試產(chǎn)串聯(lián)式的日產(chǎn)E-power的銷量和油耗可以跟普瑞斯的功率分流產(chǎn)品相媲美,這說明我們不一定要走功率分流的路線,對中國來講串聯(lián)相對簡單。
另外就是可以外界充電的混合動力,我們叫插電式混合動力。插電式混合動力分成兩個階段,在電量維持階段是常規(guī)混合動力。但充完電之后,使用的是電池,這一段非常重要。這要分為兩個部分,一是純電型插電式,就是全部用電,在充滿電之后的階段就是純電動,但是還有部分是混合型插電,前面仍然是混合動力。我們認(rèn)為,純電插電混合動力在城區(qū)短途用電,高速、長途用油,根據(jù)中國的乘用車出行特征,可以省油80%以上,這是中國優(yōu)勢的技術(shù)路線。如果將純電型的插電混合動力按功能和結(jié)構(gòu)分開分析,其實有九類混合動力,純電型混合動力既可以串聯(lián)、并聯(lián),也可以混聯(lián)。根據(jù)中國對增程式的定義,實際上串聯(lián)的純電型插電混合動力,是純電插電混合動力中的一類。中國可能主要是并聯(lián)和串聯(lián)兩種,混聯(lián)不會成為主流。
比較這兩種方式發(fā)現(xiàn),在混合動力模式下,并聯(lián)純電型相較于串聯(lián)純電型,具有成本和動力優(yōu)勢,國內(nèi)企業(yè)正在著力探索低成本的純電并聯(lián)式插電混合動力,我認(rèn)為這是一個非常值得關(guān)注的具有中國優(yōu)勢的技術(shù)路線。
如何實施混合動力技術(shù)路線?一是從燃油車升級轉(zhuǎn)換后的節(jié)能汽車路線,常規(guī)混合動力到插電式混合動力。另外一個是從純電動汽車轉(zhuǎn)換的混合動力路線,純電動到增程式和純電型插電混合動力。具體來看,要通過模塊化和平臺化的發(fā)展,內(nèi)燃機動力*可以通過模塊化發(fā)展到并聯(lián)的三種構(gòu)型,P2、P2.5和P3,后發(fā)展成并聯(lián)的純電型插電混合動力。
總之,中國混合動力技術(shù)的特色和優(yōu)勢仍然是純電驅(qū)動。當(dāng)然純電驅(qū)動包括純電動,但不等于純電動。
另外,必須提到的是混合動力的核心技術(shù),即發(fā)動機技術(shù)。目前國內(nèi)用于混合動力發(fā)動機效率為35%～37%,水平38%～41%,距離內(nèi)燃機的極限效率:柴油機大概55%,汽油機45～50%,還有很大空間,我們還需要大力創(chuàng)新。
在混合動力發(fā)動機方面,現(xiàn)在上有效效率已經(jīng)超過45%,主要的技術(shù)路徑包括提高壓縮比、稀薄燃燒增壓和稀薄燃燒的壓燃。值得一提的是增程式的電動汽車可能會是小功率的增程機,我們現(xiàn)在探索有轉(zhuǎn)子發(fā)動機和自由對塞式發(fā)動機等等,從文獻(xiàn)分析和自我研究的角度,我們認(rèn)為主流的技術(shù)路線仍然是小排量四沖程的汽油機。