我國(guó)新能源汽車技術(shù)路線經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的演變,從節(jié)能與新能源汽車到純電驅(qū)動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略,再到新能源汽車強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。今天我們從技術(shù)角度來(lái)展望一下未來(lái)的發(fā)展。
純電動(dòng)力技術(shù)展望
自2008年鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車已經(jīng)10年,實(shí)際裝車產(chǎn)品的能量密度提高了2.5倍,實(shí)現(xiàn)了蓄電池領(lǐng)域百年來(lái)革命性的突破。2020年我們的目標(biāo)是300瓦時(shí)/公斤,這是的共同目標(biāo),而中國(guó)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(gè)方面是具優(yōu)勢(shì)的。現(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(gè)方面,我們認(rèn)為鋰離子電池具有成為動(dòng)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(dòng)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(huì)變差,未來(lái)安全性風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更大,所以必須采取手段來(lái)預(yù)防安全性問(wèn)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(shí)的,我們可以從電池系統(tǒng)的熱機(jī)電設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)來(lái)防止誘發(fā)和蔓延,即便單體出現(xiàn)熱失控也不會(huì)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(duì)中國(guó)和韓國(guó)電池產(chǎn)業(yè)的崛起,舉全國(guó)之力研發(fā)下一代固態(tài)電池,每年政府經(jīng)費(fèi)達(dá)到50億～100億日元。美國(guó)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(kāi)發(fā)新一代固態(tài)電池,以實(shí)現(xiàn)超越。
中國(guó)電池產(chǎn)業(yè)雖然暫時(shí)取得優(yōu)勢(shì),但競(jìng)爭(zhēng)壓力巨大,需要全力追趕固態(tài)電池前沿技術(shù)。當(dāng)前國(guó)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(jì)在2025—2030年才會(huì)真正實(shí)現(xiàn),需要我們持續(xù)的努力。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外的形勢(shì),總體來(lái)看,電池正極發(fā)展方向是減鈷到無(wú)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(jī)溶劑,逐步提高鋰鹽的濃度,但是未來(lái)可能要開(kāi)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(kāi)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(wèn)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(méi)有隨之而減少,因?yàn)閷?shí)際的續(xù)航里程低于期望值。靠增大電池裝載量來(lái)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(dòng)汽車能效和充電便利性。
首先,在能效方面,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)變革將會(huì)在未來(lái)5年發(fā)生,即電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高速化、化、小型化,現(xiàn)在轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到1.8萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘,未來(lái)可能會(huì)到2萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘;電機(jī)的體積、重量逐步減少,由于電機(jī)材料成本下降,電機(jī)成本也會(huì)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(huì)支撐高速電機(jī)的發(fā)展,使電機(jī)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(kāi)始產(chǎn)業(yè)化推廣,現(xiàn)在已經(jīng)有企業(yè)裝車,這會(huì)降低對(duì)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(shuō)電耗是整車集成技術(shù)水平重要的指標(biāo),電動(dòng)車的節(jié)能比燃油車更重要,應(yīng)該采用法規(guī)來(lái)管理。
再一個(gè)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(guó)是220伏的電壓,非常適合小功率慢充。現(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(lái)成為能源互聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn);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(jià)都太大了,還不理想。預(yù)計(jì)今后5～7年,安全可靠的快充技術(shù)將會(huì)出現(xiàn),這一塊創(chuàng)新空間很大。
面向未來(lái),我們對(duì)電動(dòng)汽車市場(chǎng)化路線圖做一個(gè)簡(jiǎn)單展望。國(guó)內(nèi)外研究顯示,2025年電池系統(tǒng)的價(jià)格將會(huì)達(dá)到100美元/千瓦時(shí)左右,其實(shí)我國(guó)的磷酸鐵鋰時(shí)代會(huì)提前達(dá)到。基于全生命周期的成本,計(jì)算燃油汽車的價(jià)格和全生命周期的費(fèi)用,燃油車和電動(dòng)汽車將會(huì)持平,另外嚴(yán)格的排放法規(guī)即將實(shí)施,燃油機(jī)的成本將會(huì)上升,拐點(diǎn)即將到來(lái)。我們認(rèn)為在2025年左右,純電動(dòng)汽車性價(jià)比會(huì)實(shí)現(xiàn)大的突破。
混合動(dòng)力技術(shù)展望
混合動(dòng)力一般來(lái)講是比較復(fù)雜的,尤其是對(duì)于非汽車、非發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)人來(lái)說(shuō),容易混淆。首先是常規(guī)混合動(dòng)力,即不可充電的混合動(dòng)力,日本豐田、本田、日產(chǎn)分別開(kāi)發(fā)了代表性的深混技術(shù),了常規(guī)混合動(dòng)力的潮流。但我們也看到,去年以來(lái),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(shuō)明我們不一定要走功率分流的路線,對(duì)中國(guó)來(lái)講串聯(lián)相對(duì)簡(jiǎn)單。
另外就是可以外界充電的混合動(dòng)力,我們叫插電式混合動(dòng)力。插電式混合動(dòng)力分成兩個(gè)階段,在電量維持階段是常規(guī)混合動(dòng)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(gè)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(dòng),但是還有部分是混合型插電,前面仍然是混合動(dòng)力。我們認(rèn)為,純電插電混合動(dòng)力在城區(qū)短途用電,高速、長(zhǎng)途用油,根據(jù)中國(guó)的乘用車出行特征,可以省油80%以上,這是中國(guó)優(yōu)勢(shì)的技術(shù)路線。如果將純電型的插電混合動(dòng)力按功能和結(jié)構(gòu)分開(kāi)分析,其實(shí)有九類混合動(dòng)力,純電型混合動(dòng)力既可以串聯(lián)、并聯(lián),也可以混聯(lián)。根據(jù)中國(guó)對(duì)增程式的定義,實(shí)際上串聯(lián)的純電型插電混合動(dòng)力,是純電插電混合動(dòng)力中的一類。中國(guó)可能主要是并聯(lián)和串聯(lián)兩種,混聯(lián)不會(huì)成為主流。
比較這兩種方式發(fā)現(xiàn),在混合動(dòng)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(dòng)力優(yōu)勢(shì),國(guó)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(dòng)力,我認(rèn)為這是一個(gè)非常值得關(guān)注的具有中國(guó)優(yōu)勢(shì)的技術(shù)路線。
如何實(shí)施混合動(dòng)力技術(shù)路線?一是從燃油車升級(jí)轉(zhuǎn)換后的節(jié)能汽車路線,常規(guī)混合動(dòng)力到插電式混合動(dòng)力。另外一個(gè)是從純電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)換的混合動(dòng)力路線,純電動(dòng)到增程式和純電型插電混合動(dòng)力。具體來(lái)看,要通過(guò)模塊化和平臺(tái)化的發(fā)展,內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力*可以通過(guò)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(dòng)力。
總之,中國(guó)混合動(dòng)力技術(shù)的特色和優(yōu)勢(shì)仍然是純電驅(qū)動(dòng)。當(dāng)然純電驅(qū)動(dòng)包括純電動(dòng),但不等于純電動(dòng)。
另外,必須提到的是混合動(dòng)力的核心技術(shù),即發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)用于混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)效率為35%～37%,水平38%～41%,距離內(nèi)燃機(jī)的極限效率:柴油機(jī)大概55%,汽油機(jī)45～50%,還有很大空間,我們還需要大力創(chuàng)新。
在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)方面,現(xiàn)在上有效效率已經(jīng)超過(guò)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(dòng)汽車可能會(huì)是小功率的增程機(jī),我們現(xiàn)在探索有轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和自由對(duì)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)。