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能源视角下的电动汽车电源关键技术分析

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发布时间:2018-05-28 19:41:59

能源视角下的电动汽车电源关键技术分析


5月22-23日,“2018第一届新能源汽车及动力电池(CIBF深圳)国际交流会”在深圳会展中心举行。同济大学新能源汽车工程中心主任魏学哲在“新能源汽车专场——识.新政策下车电携手的变革之路”主题论坛上发表演讲。

图为同济大学新能源汽车工程中心主任 魏学哲发表主题演讲

同济大学新能源汽车工程中心主任魏学哲:

今天我主要从几个方面与大家分享:汽车能源网络切换的必要性、电动车辆的电源技术进步、汽车能源网络切换的可能性、能源网络切换的关键技术问题、普遍能源支持下的可持续自由移动。

汽车能源网络切换的必要性

人类对自由移动是普遍的需求,汽车是速度和自由度的结合体,对于很多人来讲要靠公共交通出行,截至2015年,全球共有12.82亿辆车。1886年卡尔.本茨获得汽车专利,之后汽油成为最主要石油产品,汽车与工业是相互促进发展起来的,汽车工业是在石油工业基础上的能源体系。

二战以后石油产量每十年翻一番,先是美国发展汽车工业,之后在欧洲和日本建立了两大汽车中心。1954-2001年,世界五百强第一名要么是汽车公司,要么是石油公司,到后来其他的金融行业,IT行业开始崛起。不管怎么样,汽车工业和石油工业在整个工业体系里还是占了非常举足轻重的地位。

过去汽车污染占1/3,煤改气以后煤减少了,汽车超过一半,风险又进一步增加,因此在中国以及欧洲,很多国家都提出,要把汽车能源切换掉。

过去一百年,汽车工业和石油工业是相互促进、相互发展的状态。汽车出行的自由度在增加,保有量持续增加,但中国2030年碳排放不能再增加了,这是中国对全世界的承诺。污染物的排放要求日益提高,化石能源不可再生,从这样的角度来理解,汽车和石化百年联姻将面临解体。在百年的时间尺度下,放在环境和能源大格局里,自由移动是普遍的需求,这里面需要我们提出来答案。

电动车辆的电源技术进步

汽车从“十五”开始,我们有“三纵三横”的技术路线。据国际能源署(IEA)2017年发布数据:全球电动汽车保有量达到200万辆;中国电动汽车保有量达到100万辆,成为全球最大的电动汽车市场;上海电动汽车保有量超过10万辆,成为全球保有量最大城市。

大家知道现在电池性能不断提升,价格不断降低,不管是钛酸锂、磷酸铁锂、三元,从监测到管理技术都在不断提升。

现在,以锂电池为基础的电动汽车不断进步。2016年丰田发布Mirai,燃料电池取得突破性的进展,并且点燃了大家对燃料电池的信心,Mirai之后本田发布了Clarity。从中国的情况来看,估计一两年内我们也能达到这样的水平。

通过对比燃料电池和锂电池,我们会看到,在重型车上,不管是卡车还是商用车,燃料电池汽车完胜锂离子汽车,大客车上也是一样的结论。

我们可以这样理解,燃料电池技术在大功率、长距离的里程上应用很娴熟,小型车上目前还是以锂电池占有绝对的优势。

汽车能源网络切换的可能性

要切换到电动汽车,电能、电网络能不能做好支撑?2016年全球发电总量24.82万亿千瓦时。从历史上看,1875年巴黎北火车站建成世界第一座火电站,一百年的时间里电力工业经过了疯狂增长,其疯狂程度可能超过今天锂电池。

我们换一组算法再来看,假设全球乘用车2015年是9.47亿辆,每辆车一年跑2万公里,100公里耗电量是15度电,我们得到的结论是,全球乘用车全部电动化后,年耗电量是2.84万亿千瓦时,占当年发电量11.7%。

普华永道给出的数据,2030年乘用车保有量是2.75万亿辆,同样如果按照一年2万公里,百公里15度电的话,全部电动化之后耗电量是0.825万亿千瓦时,按预计发电量的5.7%,即使把车辆全部切换到电网上来看,也不过就占全年发电量的10%左右,还是可以接受的数据,不是像有些人讲的,会出现电不够用的情况。

我们来算一下功率,功率能不能满足?

拿上海市来算,2010年、2011年、2012年、2015年、2020年,平均复合功率是第二行里显示的,10万辆电动车是今天的情况,假设同时充电,20万辆同时充电,50万辆同时充电,我是按照慢充考虑,大家会看到50万辆车同时充电的情况下,根据2015年的数据,平均复合来算大概是9%,2020年是7%,可以得出一个结论,能量没有问题,功率也没有问题,我们讲的还是总量,总量上没有问题,局部有没有问题?局部可能是有问题的,局部的问题要靠局部的优化解决。

现在还有人在提,车辆电动化之后还是增加排放了,无非是把排放转到发电厂。我们按照这样的能源结构再算一下,燃油车1.1吨,发动机1.5L的话,我算两个数,一个是生产阶段的碳排放,一个是使用阶段的碳排放,按照10万、15万公里来算,一个是燃油车,一个是深度混合,另外是中续航里程。假设开200公里,或是再增加开300公里算,电动车不管是200公里还是300公里,和传统燃油车相比还是有明显的碳排放改善,这个情况不如深度混合汽车。

现在火电、煤电的比例已经降到49%,其他的可再生能源、天然气会上升,假设站在这样的角度,我们重新再算一次,传统燃油车的比例从36.9吨下降到32.2吨,深度混合动力降到24%,长续航里程电动车降到22.3%,这个时候我们会看到,即使对于混合动力来讲,电动汽车也可以完胜。

发电效率的提高与电力结构的调整,中国发一度电需要耗多少煤,原来700多克到现在300多克,也还是有很大的碳排放效率。另外电池能量密度的提升,现在大家都在谈300瓦时/公斤,还是350瓦时/公斤,现在也不太好判断。

随着电压的提高和新一代电子器件和整车的优化,10度电100公里的概念,应该是有可能完成的,综合这些因素考虑电动车的碳排放效果会有比较大的提升空间。

现在全球范围内充电基础设施规模在快速增加,以慢充和私有桩为主,中国2017年已经突破20万桩。

再来看一下氢。总的来讲,中国氢能的总量非常大,2016年工业副产氢气1189万吨,弃水弃风弃光电可制氢196万吨,核电弃电可制氢146万吨。换算一下,假设一辆车每年用300天,每天用氢0.5公斤,差不多可以开50公里,这些既有资源可以分别供7900万、1300万、970万辆燃料电池车运行。截止到2018年2月,中国大陆正在运行的加氢站有12个,在建加氢站19个。

能源网络切换的关键技术问题

所谓普遍能源网络,假设从石油网络切换到基于电能和氢能的普通能源网络,氢能可以使新能源发电的碎片化问题得以解决,总的储能量还是太少,我们在解决可再生能源的碎片化问题上还是不可或缺的技术。

我们能够想象出来,石油网络切换到电网络,车辆和过去石油网络是弱耦合的关系,将来会变成强耦合的关系。能源补充系统会和信息的交互结合在一起,汽车工业的优化问题需要在更大范围内求解,从终端问题升级为能源、交通两个系统问题。

截止到今天,我也不认为电动汽车的性能会比燃油汽车好,也就是说,如果仅仅从汽车来谈,为什么要切换到电能上,其实做不出答案,没有办法说服包括我在内的很多做汽车的人,不认可这个事情。但是我们要放到更大的范围内谈这个事情。

普遍能源支持下的可持续自由移动

人类自由移动的普遍需求,需要建立在普遍能源基础上,具有百年历史的汽车将在普遍能源的网络基础上持续发展。

这是我的报告,谢谢大家。