作者:欧阳明高 来源:中国科学报 发布时间:2021/12/19 16:17:12
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新能源汽车如何可持续发展?院士就热点问题答疑
中科院院士欧阳明高详解新能源汽车未来发展图景


编者按:

近日,在中国电动汽车百人会2021年度媒体沟通会上,中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高以《推动新能源汽车可持续增长》为题,围绕汽车整车技术、电池可持续发展、充换电和电动汽车智慧能源等热点话题,进行重点答疑并发表见解。《中国科学报》经授权整理如下,以飨读者。

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中科院院士欧阳明高在中国电动汽车百人会2021年度媒体沟通会上。主办方供图

全球电动汽车进入陡峭增长期

2021年新能源汽车销量和渗透率逐月快速提升,市场化进入爆发式增长新阶段。据汽车工业协会的数据,2021年1~10月新能源汽车销量已经超过250万辆。我估计这个数字到11月有可能接近300万,今年总体约在330万左右。

今年市场增长超出预期,但符合逻辑:市场爆发原因是技术进步、产品丰富、政策给力的结果。

技术方面,电动车电池技术持续改进和成本下降,电池系统的结构设计持续创新,比如刀片电池、C2P等大规模应用,磷酸铁锂电池大规模装备轿车;电动汽车智能辅助驾驶技术的引入对客户的吸引、电动车的操控性能优越。

产品方面,电动车品牌形象提升,大量新车型造型相比传统车更为新潮。尤其是新能源汽车车型丰富,覆盖各个乘用车级别。细分市场和产品结构上也出现了新的“两头挤”现象:微型车已经基本被电动车占领,豪华车也基本由电动车主导。

政策方面,补贴延续、双积分涨价、国家“双碳”战略的推出对厂家和年轻客户的预期引导等。同时,补贴对消费的作用正在逐步消退,私人基于市场消费的购车比例已经上升到接近75%。

今年1~10月全球广义新能源乘用车销量达到 702 万台。根据S型增长曲线的经验判断,全球汽车电动化已突破临界点,进入陡峭增长期。估计明年中国新能源汽车销量会继续增长到500万台,市场占有率将在20%以上。

未来整车技术两大趋势

未来整车技术趋势,大家关心两件事,一是千公里续航,二是滑板底盘。

达到千公里续航的同时能几分钟充满电,还安全、成本低,这不可能。我不反对千公里续航,只要市场有需求,技术上是完全可以做到的。这主要是市场驱动的产品开发,当然对技术的要求也会相应提高,且安全技术要求也会更高。

最近美国Rivian公司因推出智能滑板底盘备受追捧。这个概念很早就有,比如通用汽车约在2002年推出滑板汽车概念车,特斯拉也有类似概念。由于电池系统通常是一个扁平化的结构,所以凡是纯电动车专用平台,都跟传统的燃油车平台差别较大,都带有扁平化的滑板概念。

这是多年演变的结果,代表了技术发展趋势。尤其是电池系统越来越扁平,电机比功率越来越高,电机/逆变器/驱动轴三合一用得越来越多,可以实现真正的滑板式底盘平台。再配合智能化主动避撞,将来碰撞越来越少,车身可以做得越来越轻,车型开发周期就可以非常短、个性化非常强,这会给汽车的设计制造带来一场革命。

国产品牌有机会脱颖而出

今年5月,国际能源署按照低碳发展目标,对电动车市场作出较为激进的预测:从2020年到2030年全球电动轿车将增长18倍,2030年销量将达到5500万。基于我们团队的计算分析,估计2025年我国新能源汽车年销量约700万~900万,2030年约1700万~1900万;2025年保有量将超过3000万,2030年接近1亿辆,2035年接近2亿辆,2040年接近3亿辆。

向新能源汽车转型对节能减排有重要影响。对于乘用车,2021年电动汽车CO2排放约为70克/公里,燃油车为176克/公里。预计2035年随着绿电比例上升,纯电动车这一数字将降至20克/公里。

未来产业格局演变,我认为各合资企业会在明后年集体发力,2023年中外品牌新能源汽车将进入激烈竞争期。从核心技术看,国产品牌是有实力的。

首先是电池技术,目前这一代电池技术中国占主导地位。现在日本等在大力发展全固态电池,这方面我们还有差距。但全固态电池技术产业化并对市场格局产生重要影响,估计还要10年左右。

从供应链看,我国动力电池产业链完整,全球70%的电池产能在中国,产品供应全球。总体而言,中国动力电池的产业竞争力在相当时间内难以撼动。近期芯片供应被“卡脖子”,主要还是周期性供需失衡问题;且汽车对芯片集成度要求低于手机等产品,从中期看,我国不难解决新能源汽车芯片问题。

从整车品牌看,这几年造车新势力的蓬勃发展,在品牌形象方面创出了中国自主品牌的新天地。在新一轮电动化和智能化的浪潮下,我对国产品牌在未来汽车产业竞争中占据优势地位还是充满信心的。有一个预测说,2030年中国市场国产品牌会占到60%,我同意这个预测。

从企业看,新能源汽车的兴起引发了汽车产业的一场技术革命。自主品牌“八仙过海”,涌现出比亚迪这样的标杆企业;新造车势力来势凶猛,充满活力;合资企业蓄势待发,即将全面发力。未来5年是一个窗口期,市场高速增长,竞争持续激烈。5~10年内会有一次大洗牌,鹿死谁手尚未可知。

总之,汽车工业正在经历百年未有之大变局,我们迎来了巨大的时代机遇,同时也会遇到一系列挑战,包括电池技术、产业以及材料资源的可持续发展问题,快充、快换与车网互动以及绿色智慧能源问题等。

可持续发展的关键在减少碳排

随着电动汽车爆发式增长,大家对动力电池可持续发展非常关注,提出了很多问题。比如动力电池全生命周期的碳排放与材料回收、未来电池材料体系的中长期发展路线图、动力电池全链条的智能化与智能电池技术等。

电池产量的快速膨胀会刺激上游材料周期性涨价,同时也会引起公众对材料资源短缺的担心。从潜力看,全球锂资源经济可采储量为2100万吨,以三元811电池材料体系计、平均一辆车100千瓦时算,可造20亿辆电动汽车。锂资源总勘探储量近年也在增加,似乎问题不大。但是钴的资源就没那么乐观了。特别是,资源分布极不均匀,我们不能对资源压力掉以轻心。

中国已经开始进行电池资源回收了。如果循环利用做得好,支撑发展问题不大。但人们仍担心,电池生产会耗能和排放,材料循环也要耗能、排放,可持续发展是个重大问题。

怎么解决碳排放问题?第一,电能清洁化,电池产业链要尽量往西部转移,利用可再生能源和当地资源优势。第二,电池回收利用再生制造。第三,全产业链生产工艺的改进、提升关键环节的能效。

从回收的角度看,2025年中国需要回收和梯次利用的电池总量约1.25亿千瓦时。社会各界非常重视电池回收利用,现在满足新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件的有14家企业,将来还会继续增加。

技术上主要的回收手段现在有三种,干法、湿法和物理回收。干法回收有环保问题,湿法生产效率低、设备复杂,因此现在推崇物理回收、电池修复和材料再生的科技创新,比如英国政府有专门的电池回收科技专项,也发明了一些新的方法。

电动汽车退役电池要通过精确的电池剩余电量测试、分选,然后分门别类进行修复、梯次利用和材料回收再生。从电池全生命周期减排的潜力看,在现有电力结构下,物理回收可减排超50%;湿法回收减排32%;干法回收减排3.5%。随着绿电比例的提升,碳排放还将继续下降。

锂电池在2030年前仍将占据主导地位

另外,我们要一直用锂电池吗?会不会有其他电池取代锂电池?这就是动力电池技术可持续发展问题。

首先,锂电池还会用很久。当前锂电池的比能量上限约为300瓦时/千克,新型锂电池可达350~400瓦时/千克。预计2025年会出现与现有液态电解质锂电池比能量大体相当的第一代全固态电池。2030年后出现第二代采用新型正负极材料的全固态电池,比能量会提升到500瓦时/千克,还会有高比能量锂-硫电池、金属空气电池等。最近出现的纳离子电池,各方面性能还不能满足高性能汽车使用要求。预计到2035年,钠离子电池、钾离子电池性能会大幅提升,比能量会达到300瓦时/千克左右。

从电池产业可持续发展角度看,锂电池在2030年之前仍占主导地位。第一代全固态电池(产业化后)占市场比例接近1%的时间点约在2030年左右。2035年之后,新一代固态电池及钾、镁、钠、锂-硫等各类电池会进入市场。到2050年,液态锂离子电池或将减少至约20%。这是参考国外资料及我们的研究作出的长周期粗略预测。

电池的全链条智能化也是一大趋势。现在的材料合成与电池设计仍主要采用“试错法”,导致实际生产的电池难以达到理论上的比容量。智能化手段可以使设计进一步优化,比如基于材料基因组学和人工智能的材料筛选和设计,再利用智能制造、应用过程中的智能电池管理,最后再智能回收,实现全过程智能化。这是欧盟的2030年电池计划的核心思想。

通过智能设计,电池实际性能与理论值之间差距可减少一半,智能回收可使回收原材料的利用率接近100%,全生命周期的碳足迹减少1/2。科技的潜力巨大,动力电池的可持续发展是有保障的。

超快充电问题:应主要用于高速补电

人们对电动汽车仍不太满意的是充电不如加油快。今年国庆假期,很多用户抱怨电动车变成了“电动爹”。其实高功率型动力电池是可以像加油一样超快充电的,但其比能量低,无法满足长续航要求。

现在长续航的电动汽车越来越多,装的都是强调高比能量的能量型动力电池,快充就不太容易了。比如350千瓦超快充电,5分钟充接近30度电,要解决的问题不少:充电倍率太大,电池受不了;充电电流太大,车受不了;充电功率太大,电网受不了。为此,电池本身要具备快充能力,即较高的峰值充电倍率;车载电气系统的电压要提高,如增加到800伏以便在超大功率充电时减小总充电电流;最好采用储能电池放电以达到350千瓦的高功率以减轻电网负荷。这样才能便于超快充电。

这其中最难的还是动力电池本身快充潜力的发挥。充电过程最易发生安全事故,主要原因是快充导致锂枝晶造成内短路。为此,需要开发无析锂的快充技术外,还要选择超快充电区间和幅度。研究表明在电量一半以下,5分钟充1/3的电量较为适宜;充满电会遇到安全、寿命、发热等很多问题,得不偿失。

超快充电应当主要用在高速公路应急补电。比如续航600百公里的车,5分钟充1/3电量就是200公里,这是比较科学合理的。

此外还要考虑全气候,比如冬天要加热,夏天要散热。所以必须要配备快速加热、快速冷却。现在中国电力联合会制定的超级快充标准已开始公开征求意见,我们团队与壳牌合作在加油站建设了几个超快充电示范站,将进行试验考核。

基于储能电池放电的超级快充其储能电池从哪来?有两种办法,一是直接带储能的充电站,但成本偏高。二是跟换电结合,商用车快速换电这个趋势已经非常明显了。

工信部已经在全国进行换电试点,我们团队也在宜宾等几个城市做换电。总体来看,目前高出勤率、重型载荷、短途运输的卡车做换电是最火的,比如矿区、建筑工地、钢铁厂、港口等等是首先要进行的,将来逐步扩展到城市和高速公路。

我们认为,快速充电和快速换电相结合,卡车快换、轿车快充、换电备用电池给轿车快充,将是一个优势互补资源共享的解决方案。而且,这种快充快换站的使用与原先燃油车加油的习惯、频率及位置很接近。此外,能源企业非常适合在加油站建设快充、快换耦合站,这对其而言是一个比较合理的商业模式和非常好的转型方向,有极大前景。

车网互动:未来有望形成“电动车股市”

据统计,目前家用电动汽车75%的电量通过慢充获得。随着电动车数量快速增加,慢充会给电力负荷带来很大压力,无序充电的时代即将结束。未来将进入有序充电阶段,后台将通过电价机制把充电调整到电力负荷低谷区间。目前深圳已有示范。管理充电的信息网会智能调度电网的充电能量,能源互联网的雏形渐显,这是一件大事。

再进一步就是双向发展:电动汽车电池既充电又放电。比如,电动汽车与建筑或者房屋连接构成一个能源系统,可以给建筑供电。未来晚间与白天电价差别较大,就会有收益。未来向可再生能源转型,风电、光伏发电波动大,电足的时候可以先储存,缺电时再放出,如此一来储能的作用很大,电价差也会越来越大,电动汽车作为储能装置的价值就会发挥出来。

2025年电池汽车的电池容量将超过20亿千瓦时,以2040年3亿辆电动车保有量计,每辆车平均65度电,总计约200亿度电是我国一天所需的总电量。这一巨大储能系统将产生巨大的碳减排潜力,我们初步计算碳减排潜力可以高达10~20亿吨,数量十分惊人。

总之,电动汽车储能的潜力极大,会是一个巨大的蓝海市场。现在,各级政府都在面向“双碳”目标推动碳减排。其中最重要的途径之一就是基于电动汽车的智慧能源,包括光伏、电动车电池、充放电装置、家用电器连成网,一个小区、一个单位、一个社区可以形成一个一个微电网,一个行政区有许多微电网联起来变成区域电网。最后形成整个城市的智慧能源,成为绿色智慧城市的重要组成部分。

可能会有人提出疑问,电动汽车是分散、移动、随机使用的,充电装置也不是到处都有,这种理想的结果如何实现?

首先要加快普及慢充设施。理想状态是车停下来就能接入电网,这样才能形成储能和电网互动功能的实现。实现的手段很多,比如利用车载双向充电机,车下只需要一个智能插座解决结算问题就可以了。从技术角度看,只要有标准规范,安全是有保障的,关键是如何实施。

新的推动力量是低碳城市的创建需要推广电动汽车、光伏、储能。就像以前各个城市竞争GDP一样,现在要比赛碳减排。全国各大能源企业也在各个地方投资,整县市地推进可再生能源与智慧能源。以电动汽车为核心的电池储能和一体化的智慧能源系统很快就会在全国逐步展开。

我估计在2025年之前主要是有序充电,2025年~2030年会发展出跟建筑和微网互动,2030年之后会与配电网互动。从系统分级看,底层是充放电的硬件设施,中层是大量的电动汽车储能和微网聚合商,上层是政府介入的调度管理平台。相关的技术问题并不是非常难,我们正在与合作伙伴一起选择中等城市来做示范。

以可再生能源为主体的电力系统的特征将会是分布式、市场化为主。电动汽车充放电将会是一个市场,充放电跟股票买卖一样,电价低就充、电价高就卖,通过经济激励手段实现对波动性风电与光伏等可再生能源的自动调节与平衡。对个人而言用手机APP就可以搞定,这是未来绿色智能城市的一个美好愿景。

 
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