鉅大LARGE | 點擊量：741次 | 2021年08月26日
純電動新能源動力鋰電池汽車發(fā)展核心
一月20-二十一日，以把握全球變革趨勢實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展為主題的我國電動汽車百人會論壇(2018)在北京舉辦。我國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長、我國科學(xué)院院士歐陽明高表示，從新能源汽車上升的態(tài)勢來看，目前市場55%都是純電動的乘用車，他重點針對純電動乘用車進行分解并提出相關(guān)提議。匯報分為三個部分，一是高比能量鋰離子電池技術(shù)，二是電動汽車能耗與節(jié)能技術(shù)，三是快充與充電網(wǎng)智能化技術(shù)。
我國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長、我國科學(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，我國電動汽車動力鋰離子電池已經(jīng)取得重大進展，從十五到十三五，逐步走向快速發(fā)展的道路。動力鋰離子電池系統(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/公斤，全部電池單體能量密度在23020瓦時/公斤。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
基于新一代動力鋰離子電池?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/公斤，比方單體能量密度為195瓦時/公斤的三元方殼電池系統(tǒng)能量密度達到158瓦時/公斤，單體能量密度200瓦時/公斤電池能做到160瓦時/公斤，質(zhì)量成組效率可以達到77%，循環(huán)壽命超過3000次，其中很緊要的就是熱失控防范技術(shù)，倘若沒有該技術(shù)，這么高的比能量是很難做到的，因為單體電池要完全杜絕熱失控，目前還是非常困難的，所以非得要從系統(tǒng)角度來防范熱失控的蔓延。
下面進一步對專項里面研發(fā)進展做一個簡單解析。
寧德時代新能源、力神、國軒承擔(dān)新型鋰離子動力鋰離子電池項目，采用高鎳三元正極和硅碳負極，軟包電池能量密度都達到了300瓦時/公斤，其中部分樣品的性能指標(biāo)已經(jīng)接近使用要求，這里(圖)我展示的是寧德時代新能源b樣的一些指標(biāo)，基本上接近使用要求。有些單位動力鋰離子電池的安全性還不能完全滿足國標(biāo)，寧德時代已經(jīng)都通過，這是安全性測試(圖)。
從國際來看，2020年前全球的目標(biāo)基本上都是300瓦時/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增強?？梢钥闯?圖)，日韓目標(biāo)與我國還是不太相同，他們更多的是追求體積比能量，因為對轎車來講體積比能量可能會更加緊要，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/公斤電池體積比能量要做到720瓦時/升。日韓質(zhì)量比能量目標(biāo)在270瓦時/公斤、280瓦時/公斤的比較多，這個目標(biāo)在2020年前可以實現(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，我們對這方面也要做一些點評。這(圖)是國內(nèi)各個單位所開發(fā)的固態(tài)電池的指標(biāo)，我在這里不具體解析，值得一提的是，中科院寧波材料所與贛鋒鋰業(yè)在攜手計劃2020年產(chǎn)品進入市場，其他的應(yīng)當(dāng)說科研單位較多。
全球固態(tài)電池2017年全面升溫，日本在無機硫化物固態(tài)電解質(zhì)方面取得緊要沖破，豐田公司出臺固態(tài)電池量產(chǎn)計劃，在2022年實現(xiàn)商品化。當(dāng)然，我們還要等幾年看看是否能夠如期的產(chǎn)業(yè)化，目前的重量比能量是200瓦時/公斤，體積比能量是400瓦時/升。固態(tài)電池除非能夠在內(nèi)部進行串聯(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)多了之后會導(dǎo)致內(nèi)部的電解液流出而引起短路，所以今朝內(nèi)部串聯(lián)不是很多。
一年來，以無機硫化物固體電解質(zhì)為核心的固態(tài)鋰離子電池取得緊要進展，但受到固固界面穩(wěn)定性和金屬鋰負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)的角度會從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合，到固態(tài)，最后到全固態(tài)。負極會從石墨負極、硅碳負極，最后有可能到達金屬鋰負極，但目前無法確認(rèn)。
鈷和鎳都是戰(zhàn)略物資，下一步目標(biāo)高比能量電池正極緊要是無鈷無鎳材料。在400瓦時/公斤高比能量動力鋰離子電池方面，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/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隊在承擔(dān)國家專項方面，對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，緊要是北京大學(xué)項目團隊承擔(dān)，首次研究出比容量400毫安時/克正極材料，這個是對傳統(tǒng)鋰離子正極材料的一大沖破。大家了解三元811正極比容量惟有210毫安時/克，今朝新結(jié)構(gòu)富鋰正極材料已經(jīng)做到400毫安時/克，這為實現(xiàn)鋰離子電池500瓦時/公斤的目標(biāo)供應(yīng)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)非得到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、高容量硅碳負極的革新型固態(tài)電池將成為動力鋰離子電池遠期發(fā)展的緊要目標(biāo)體系之一。往日我們一直認(rèn)為是鋰硫和鋰空氣電池是將來發(fā)展方向，今朝多了一種選擇。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，對轎車來講體積比能量更加緊要，因此鋰硫電池對轎車而言是有挑戰(zhàn)的，它在儲能方面可能更加有前景。
最后我要強調(diào)的是，電動汽車高比能量動力鋰離子電池的發(fā)展安全永遠是第一位的。今天上午有很多專家和公司家都提到了安全，我在這里再次強調(diào)，安全是第一位，比能量等性能指標(biāo)其次。我今朝緊要研究動力鋰離子電池安全，這是我在清華大學(xué)的電池安全試驗室。
第二部分，電動汽車能耗與節(jié)能技術(shù)。
大家了解，今朝電動汽車總體能耗偏高，節(jié)能潛力很大，節(jié)能的意義比燃油車更大。為甚么?因為電動汽車沒有能源就走不遠，燃油車多點油至少可以走遠。我自己是純電動汽車用戶，已經(jīng)開了幾年純電動轎車，我深深的體會就是電耗偏高。在這方面，全球都在新增續(xù)駛里程，續(xù)駛里程新增要依托電池的比能量上升，但是整車廠不能把電動汽車的技術(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，電耗是純電動汽車整車集成水平最緊要的體現(xiàn)。大家了解日產(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。理論上計算，A級車做到百公里10度電是可能的，所以新能源汽車重點專項有一個研發(fā)計劃，這個項目是長安承擔(dān)的，到2020年純電動轎車(車長4.5米)整車電耗百公里10度(工況法)，惟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。
要怎么樣降低電耗?我們有各種各樣的關(guān)鍵技術(shù)，我在這里簡單解析一下。
首先，我們要學(xué)習(xí)寶馬i3，降重量，我們今朝的整車重量都偏大，這里不具體解析。
第二，低阻化，我們要向特斯拉學(xué)習(xí)，特斯拉電動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，這個是相差很大的，筆直從傳統(tǒng)SUV改電動SUV其確實能耗方面是不適宜的。國產(chǎn)純電動乘用車節(jié)能重點之一就是降低電動SUV風(fēng)阻系數(shù)，這個可以采用全新的平臺，不能完全筆直從傳統(tǒng)車改。
第三，電驅(qū)動高效化。我們要看到，國外跨國汽車零部件集團今朝都在競相開發(fā)一體化電驅(qū)動橋，并進入我國市場，跟我國電驅(qū)動公司短兵相接，我國有些公司已經(jīng)開始跟他們合資。當(dāng)然這都是公司行為，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)軍公司精進電動也做過這方面的研究，在NEDC工況下均勻效率可以接近90%，我們要向這個目標(biāo)邁進。
下一個就是制動能量回收，國際標(biāo)桿車型制動回收效率普遍偏高，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，制動踏板基本不用，這對降低能耗是非常有意義的。我開過寶馬的車，制動回饋都是很重的，在城里開車基本上不用踩剎車。
國內(nèi)制動能量回收的技術(shù)已經(jīng)取得進展，但是實際使用偏弱，比如清華團隊制動回饋技術(shù)使用在北汽E150，能耗改善也可以到23.7%，但是實際車輛的使用和推廣情況不佳，急需改善。
最后就是熱管理，溫度對實際運行電耗影響最大，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)取得緊要沖破，正在進行產(chǎn)業(yè)化探測，我們要重視這個技術(shù)。今朝電池加熱，這些都是成熟技術(shù)，但是有一個技術(shù)，就是冬天的供暖，倘若我們用pTC電加熱，1千瓦就能出現(xiàn)1千瓦的熱，用熱泵空調(diào)COp(制熱能效比)可以達到3，就算零下25度也可以達到1.7，就是1千瓦能夠供1.7千瓦的熱，效果是非常分明的，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)。
我想說兩個問題，一是私人購車充電樁配建率在新增，我們的目標(biāo)是一車一樁，這個非常緊要，應(yīng)當(dāng)由整車廠主導(dǎo)。另外一個我們應(yīng)當(dāng)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，所以電動轎車充電趨勢將是私人交流充電樁日常慢充+公共快充補電結(jié)合。我們今朝慢充不存在成本各方面的問題，技術(shù)也沒有什么問題，從今朝的接觸式交流慢充到未來無線充電，這條技術(shù)路線也是清楚的。關(guān)鍵是采用什么樣的快充，這個是當(dāng)前我們面對的最大問題。
大家了解，歐洲和美國計劃2020年后車輛電池容量基本上達到100千瓦時，續(xù)駛里程達到500公里，設(shè)定充電時間15分鐘，提出充電功率350千瓦的要求。今朝北美、歐洲都在推行，日本稍晚一點，但是2022年之后也要使用。我國目前乘用車直流快充一般是50千瓦左右，實現(xiàn)350千瓦的大功率充電，電動汽車電壓要提高到1000伏，充電電流400-500安時，超過現(xiàn)有產(chǎn)品零部件的性能邊界，對我們現(xiàn)有的純電動汽車整體技術(shù)體系會帶來嚴(yán)重沖擊，有關(guān)整個方方面面的安全也會造成重大風(fēng)險。2017年百人會將其作為熱點問題已經(jīng)多次討論，與此同時，我國充電聯(lián)盟也在開展大功率充電的技術(shù)準(zhǔn)備，因為隨著電動轎車?yán)m(xù)駛里程的新增，電池容量的提高，對充電設(shè)備配建功率的需求逐步提升，這是不可戒備的，因為原來續(xù)駛里程150公里今朝提升到300公里，電池原來20千瓦時今朝基本上都要四五十千瓦時，必然要提高。但是我們也非得從長計議，基礎(chǔ)設(shè)施不能來回翻燒餅，要著眼將來10年。倘若我們看將來10年，我國分布式可再生能源將會成為發(fā)電主體能源，因為光伏的價格在繼續(xù)下降，估計在5-10年會低于煤電。
所以，充電智能化將會引發(fā)能源革命，我們認(rèn)為，面向?qū)淼氖切履茉粗悄芑妱悠?，我在這里加了兩個詞，電動汽車前面有智能化，還有新能源，等于什么呢?電動汽車+駕駛智能化+充電智能化，我們今朝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，我們要開辟另外一個能源智能化的大空間，而且我國的電動汽車有先發(fā)優(yōu)點，互聯(lián)網(wǎng)有技術(shù)優(yōu)點，光伏技術(shù)有產(chǎn)業(yè)優(yōu)點，倘若三個優(yōu)點進行整合，我相信我們的換道超車一定能實現(xiàn)。
通過分解我們認(rèn)為，將來的充電發(fā)展愿景是以電池儲能V2G微電網(wǎng)為主，就是車電互動，以分布式可再生能源與電動汽車微電網(wǎng)協(xié)同平抑快充負荷。大家了解，快充幅度提高之后，電動汽車快充功率峰值很大，同時可再生能源也是間歇的峰值，如何兩個峰值協(xié)調(diào)互動，達成平衡穩(wěn)定的電網(wǎng)，這是我們非得要盡快研究和落實的。所以我們提出一個是交流慢充，在3千瓦到20千瓦之間，占充電總量80%以上，以慢充為主體，加上快充補電，由120千瓦逐步過渡到350千瓦，占充電量的15%。將來2-3年我們可能還要30分鐘充電到SOC的40%，3-5年可能半個小時充到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，我們希望個人充電樁力爭1：1配套，成為充電主體的情景下，電動乘用車公共快充補電站發(fā)展大概分為三個階段：
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示范使用;
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，實現(xiàn)新能源智能化，除了自動駕駛的智能化還要實現(xiàn)新能源的智能化，滿足乘用車的快速補電需求，同時帶來整個能源交通系統(tǒng)的革命。
