我国新能源汽车技术路线经过了长时间的演变,从节能与新能源汽车到纯电驱动技术转型战略,再到新能源汽车强国战略。今天我们从技术角度来展望一下未来的发展。
纯电动力技术展望
自2008年锂离子动力电池应用于电动汽车已经10年,实际装车产品的能量密度提高了2.5倍,实现了蓄电池领域百年来革命性的突破。2020年我们的目标是300瓦时/公斤,这是全球的共同目标,而中国也已经完全做好了准备。
从车用角度看,最重要的是体积能量密度而不是重量能量密度,锂离子电池在这个方面是最具优势的。现在的锂硫电池、锂空气电池,虽然理论重量能量密度比较高,但体积能量密度目前还很难超越锂离子电池。
在这个方面,我们认为锂离子电池具有成为动力电池主流技术的潜质和前景,但发展瓶颈是高比能量动力电池的安全性。2018年出现了一些安全事故,这些事故车辆使用的电池基本上是在2016年左右生产的,大概是NCM523体系。随着高镍的应用,电池的热稳定性将会变差,未来安全性风险会更大,所以必须采取手段来预防安全性问题。
首先,当前锂离子电池从单体层面完全杜绝热失控是不太现实的,我们可以从电池系统的热机电设计与控制设计来防止诱发和蔓延,即便单体出现热失控也不会发生事故。
其次,从改善电池本身安全性出发,要发展新型的固态电解质电池。最近我们与日本专家讨论,日本为应对中国和韩国电池产业的崛起,举全国之力研发下一代固态电池,每年政府经费达到50亿～100亿日元。美国和欧洲原有的电池产业是比较薄弱的,他们也在全力开发新一代固态电池,以实现超越。
中国电池产业虽然暂时取得优势,但国际竞争压力巨大,需要全力追赶固态电池前沿技术。当前国内也有一些固态电池,但还不是全固态电池,全固态电池大规模商业化估计在2025—2030年才会真正实现,需要我们持续的努力。
根据国内外的形势,总体来看,电池正极发展方向是减钴到无钴,负极将是加硅,硅的含量将逐步提升,甚至是全硅。电解质要减少有机溶剂,逐步提高锂盐的浓度,但是未来可能要开发全固态电解质,但是全固态电解质目前还有很多技术瓶颈需要克服,需要逐步开展。
除了电池,大家目前关注的可能是续航里程,解决了电池并不能解决续驶里程的全部问题,目前续航里程已经从150公里提高到普遍300公里以上,但是客户的抱怨并没有随之而减少,因为实际的续航里程低于期望值。靠增大电池装载量来增加续航里程不是根本出路,主流技术路线是提高电动汽车能效和充电便利性。
首先,在能效方面,高效电驱动系统的技术变革将会在未来5年发生,即电机驱动系统高速化、高效化、小型化,现在转速能够达到1.8万转/分钟,未来可能会到2万转/分钟;电机的体积、重量逐步减少,由于电机材料成本下降,电机成本也会下降。
其次,以碳化硅为代表的新一代高频、高效电力电子将普遍使用,这也将会支撑高速电机的发展,使电机向小型、高效、低成本方向发展。
另外是热管理,新一代热泵空调技术已经取得重大突破,并开始产业化推广,现在已经有企业装车,这会降低对气温的敏感性,使冬季低温环境下续航里程的损失比现在降低2/3,从30%降到10%。还有就是整车能效优化集成技术的突破,可以说电耗是整车集成技术水平最重要的指标,电动车的节能比燃油车更重要,应该采用法规来管理。
再一个就是充电的便利性,一是充电体系的建设,二是快充技术的突破。中国是220伏的电压,非常适合小功率慢充。现在应该尽量使家用轿车都配置慢充桩,这将成为主体的供电模式,未来成为能源互联网的终端节点;10～15分钟的快速充电是必备的,但快充的定位是应急,不是主体充电的模式,快充占比大概承担15%～20%。现在的350千瓦直流快充和换电代价都太大了,还不理想。预计今后5～7年,安全可靠的快充技术将会出现,这一块创新空间很大。
面向未来,我们对电动汽车市场化路线图做一个简单展望。国内外研究显示,2025年电池系统的价格将会达到100美元/千瓦时左右,其实我国的磷酸铁锂时代会提前达到。基于全生命周期的成本,计算燃油汽车的价格和全生命周期的费用,燃油车和电动汽车将会持平,另外最严格的排放法规即将实施,燃油机的成本将会上升,拐点即将到来。我们认为在2025年左右,纯电动汽车性价比会实现大的突破。
混合动力技术展望
混合动力一般来讲是比较复杂的,尤其是对于非汽车、非发动机行业人来说,容易混淆。首先是常规混合动力,即不可充电的混合动力,日本丰田、本田、日产分别开发了代表性的深混技术,引领了国际常规混合动力的潮流。但我们也看到,去年以来,日本试产串联式的日产E-power的销量和油耗可以跟普瑞斯的功率分流产品相媲美,这说明我们不一定要走功率分流的路线,对中国来讲串联相对简单。
另外就是可以外界充电的混合动力,我们叫插电式混合动力。插电式混合动力分成两个阶段,在电量维持阶段是常规混合动力。但充完电之后,率先使用的是电池,这一段非常重要。这要分为两个部分,一是纯电型插电式,就是全部用电,在充满电之后的第一阶段就是纯电动,但是还有部分是混合型插电,前面仍然是混合动力。我们认为,纯电插电混合动力在城区短途用电,高速、长途用油,根据中国的乘用车出行特征,可以省油80%以上,这是中国优势的技术路线。如果将纯电型的插电混合动力按功能和结构分开分析,其实有九类混合动力,纯电型混合动力既可以串联、并联,也可以混联。根据中国对增程式的定义,实际上串联的纯电型插电混合动力,是纯电插电混合动力中的一类。中国可能主要是并联和串联两种,混联不会成为主流。
比较这两种方式发现,在混合动力模式下,并联纯电型相较于串联纯电型,具有成本和动力优势,国内领先企业正在着力探索低成本的纯电并联式插电混合动力,我认为这是一个非常值得关注的具有中国优势的技术路线。
如何实施混合动力技术路线?一是从燃油车升级转换后的节能汽车路线,常规混合动力到插电式混合动力。另外一个是从纯电动汽车转换的混合动力路线,纯电动到增程式和纯电型插电混合动力。具体来看,要通过模块化和平台化的发展,内燃机动力完全可以通过模块化发展到并联的三种构型,P2、P2.5和P3,最后发展成并联的纯电型插电混合动力。
总之,中国混合动力技术的特色和优势仍然是纯电驱动。当然纯电驱动包括纯电动,但不等于纯电动。
另外,必须提到的是混合动力的核心技术,即发动机技术。目前国内用于混合动力发动机效率为35%～37%,国际水平38%～41%,距离内燃机的极限效率:柴油机大概55%,汽油机45～50%,还有很大空间,我们还需要大力创新。
在混合动力发动机方面,现在国际上有效效率已经超过45%,主要的技术路径包括提高压缩比、稀薄燃烧增压和稀薄燃烧的压燃。值得一提的是增程式的电动汽车可能会是小功率的增程机,我们现在探索有转子发动机和自由对塞式发动机等等,从国际文献分析和自我研究的角度,我们认为主流的技术路线仍然是小排量四冲程的汽油机。