我國新能源汽車技術路線經過了長時間的演變,從節能與新能源汽車到純電驅動技術轉型戰略,再到新能源汽車強國戰略。今天我們從技術角度來展望一下未來的發展。
純電動力技術展望
自2008年鋰離子動力電池應用于電動汽車已經10年,實際裝車產品的能量密度提高了2.5倍,實現了蓄電池領域百年來革命性的突破。2020年我們的目標是300瓦時/公斤,這是的共同目標,而中國也已經*做好了準備。
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勢的。現在的鋰硫電池、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,我們認為鋰離子電池具有成為動力電池主流技術的潛質和前景,但發展瓶頸是高比能量動力電池的安全性。2018年出現了一些安全事故,這些事故車輛使用的電池基本上是在2016年左右生產的,大概是NCM523體系。隨著高鎳的應用,電池的熱穩定性將會變差,未來安全性風險會更大,所以必須采取手段來預防安全性問題。
首先,當前鋰離子電池從單體層面*杜絕熱失控是不太現實的,我們可以從電池系統的熱機電設計與控制設計來防止誘發和蔓延,即便單體出現熱失控也不會發生事故。
其次,從改善電池本身安全性出發,要發展新型的固態電解質電池。近我們與日本專家討論,日本為應對中國和韓國電池產業的崛起,舉全國之力研發下一代固態電池,每年政府經費達到50億～100億日元。美國和歐洲原有的電池產業是比較薄弱的,他們也在全力開發新一代固態電池,以實現超越。
中國電池產業雖然暫時取得優勢,但競爭壓力巨大,需要全力追趕固態電池前沿技術。當前國內也有一些固態電池,但還不是全固態電池,全固態電池大規模商業化估計在2025—2030年才會真正實現,需要我們持續的努力。
根據國內外的形勢,總體來看,電池正極發展方向是減鈷到無鈷,負極將是加硅,硅的含量將逐步提升,甚至是全硅。電解質要減少有機溶劑,逐步提高鋰鹽的濃度,但是未來可能要開發全固態電解質,但是全固態電解質目前還有很多技術瓶頸需要克服,需要逐步開展。
除了電池,大家目前關注的可能是續航里程,解決了電池并不能解決續駛里程的全部問題,目前續航里程已經從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,因為實際的續航里程低于期望值。靠增大電池裝載量來增加續航里程不是根本出路,主流技術路線是提高電動汽車能效和充電便利性。
首先,在能效方面,電驅動系統的技術變革將會在未來5年發生,即電機驅動系統高速化、化、小型化,現在轉速能夠達到1.8萬轉/分鐘,未來可能會到2萬轉/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展,使電機向小型、、低成本方向發展。
另外是熱管理,新一代熱泵空調技術已經取得重大突破,并開始產業化推廣,現在已經有企業裝車,這會降低對氣溫的敏感性,使冬季低溫環境下續航里程的損失比現在降低2/3,從30%降到10%。還有就是整車能效優化集成技術的突破,可以說電耗是整車集成技術水平重要的指標,電動車的節能比燃油車更重要,應該采用法規來管理。
再一個就是充電的便利性,一是充電體系的建設,二是快充技術的突破。中國是220伏的電壓,非常適合小功率慢充。現在應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,未來成為能源互聯網的終端節點;10～15分鐘的快速充電是*的,但快充的定位是應急,不是主體充電的模式,快充占比大概承擔15%～20%。現在的350千瓦直流快充和換電代價都太大了,還不理想。預計今后5～7年,安全可靠的快充技術將會出現,這一塊創新空間很大。
面向未來,我們對電動汽車市場化路線圖做一個簡單展望。國內外研究顯示,2025年電池系統的價格將會達到100美元/千瓦時左右,其實我國的磷酸鐵鋰時代會提前達到。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,另外嚴格的排放法規即將實施,燃油機的成本將會上升,拐點即將到來。我們認為在2025年左右,純電動汽車性價比會實現大的突破。
混合動力技術展望
混合動力一般來講是比較復雜的,尤其是對于非汽車、非發動機行業人來說,容易混淆。首先是常規混合動力,即不可充電的混合動力,日本豐田、本田、日產分別開發了代表性的深混技術,了常規混合動力的潮流。但我們也看到,去年以來,日本試產串聯式的日產E-power的銷量和油耗可以跟普瑞斯的功率分流產品相媲美,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。我們認為,純電插電混合動力在城區短途用電,高速、長途用油,根據中國的乘用車出行特征,可以省油80%以上,這是中國優勢的技術路線。如果將純電型的插電混合動力按功能和結構分開分析,其實有九類混合動力,純電型混合動力既可以串聯、并聯,也可以混聯。根據中國對增程式的定義,實際上串聯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和串聯兩種,混聯不會成為主流。
比較這兩種方式發現,在混合動力模式下,并聯純電型相較于串聯純電型,具有成本和動力優勢,國內企業正在著力探索低成本的純電并聯式插電混合動力,我認為這是一個非常值得關注的具有中國優勢的技術路線。
如何實施混合動力技術路線?一是從燃油車升級轉換后的節能汽車路線,常規混合動力到插電式混合動力。另外一個是從純電動汽車轉換的混合動力路線,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展,內燃機動力*可以通過模塊化發展到并聯的三種構型,P2、P2.5和P3,后發展成并聯的純電型插電混合動力。
總之,中國混合動力技術的特色和優勢仍然是純電驅動。當然純電驅動包括純電動,但不等于純電動。
另外,必須提到的是混合動力的核心技術,即發動機技術。目前國內用于混合動力發動機效率為35%～37%,水平38%～41%,距離內燃機的極限效率:柴油機大概55%,汽油機45～50%,還有很大空間,我們還需要大力創新。
在混合動力發動機方面,現在上有效效率已經超過45%,主要的技術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,我們現在探索有轉子發動機和自由對塞式發動機等等,從文獻分析和自我研究的角度,我們認為主流的技術路線仍然是小排量四沖程的汽油機。