鉅大LARGE | 點擊量：709次 | 2019年05月16日
能源視角下的電動汽車關鍵技術及趨勢是什么
4月24-26日，由中國化學與物理電源行業(yè)協會儲能應用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月25日下午的“電動汽車與電網互聯”專場，同濟大學新能源汽車工程中心的主任魏學哲在會上分享了主題報告《能源視角下電動汽車關鍵技術及其趨勢》，以下為演講實錄：
魏學哲：各位專家各位同行大家下午好！感謝組委會的邀請，我從事的是電動汽車行業(yè)，對于今天會議的主題“儲能”實際上我們一直在思考一個問題：作為能源的消費者和提供者，電動汽車和電網之間是什么樣的關系？
首先我們想回答一個問題，汽車為什么會在我們的生活中這么重要？對于人來講，汽車是一個必需的要求，我們會看到在汽車在出行自由度和出行速度這兩個維度上面都處于中間的位置，也就是它兼具了很好的出行速度和很好的自由度。另外我們從全球的汽車保有量上來看，現在全球大概有13多億輛車，也就是全球70億人口中大概五個人有一輛車，在中國差不多也是這樣的比例。
接下來回顧一下汽車一百多年的發(fā)展史，我們知道從卡爾本茨獲得第一臺汽車的專利，到1908年福特建立了流水線，汽車作為一個大的工業(yè)類別正式出現了。汽車雖然最早是在德國出現，但是它的工業(yè)化實際上最早出現在美國，二戰(zhàn)之后，歐洲特別是德國和日本的汽車工業(yè)先后崛起，21世紀之后中國的汽車工業(yè)又崛起了。
我們再看另外一個行業(yè)：石油行業(yè)。從1858年打出第一口油井算起，也是100多年的時間。當初把石油挖出來不知道干什么用，最開始的時候是煉出煤油用來照明，汽車出來之后才發(fā)現石油還可以有更重要的用途。1911年汽油的銷售量超過煤油成為了最重要的石油產品，所以從某種程度上講，我們搞汽車的是給石油行業(yè)打工的，賺錢的活是他們的，干臟活累活的是我們。這兩個行業(yè)結伴走了一百多年，現在也碰到了一些問題，包括能耗問題、國家政策、污染問題、國際趨勢等等。這兩個行業(yè)相互之間的聯系也出現了問題，就像我們開始講的，人類自由出行的需求是不會變的，汽車保有量還是在增加的，但是碳排放要求封頂，對污染物排放的要求越來越高，還有化石能源是不可再生的，汽車和石化這兩個全世界最大行業(yè)聯姻的解體這是我們需要面對的問題。
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告別了化石能源，我們自然會談到汽車的電動化。汽車電動化依賴的能源基礎就是電能，再來看一下電動汽車和電力行業(yè)有沒有可能再有一個百年的聯姻。大概在20年前，我們國家做了這個三縱三橫的技術發(fā)展路線，這三條路線的能源基礎分別是汽油，電能和氫能。20年前做這個技術路線的時候，其實是一個三邊下注的方案，一方面是過去還依賴石油，另外一方面我們看到了一些新的能源載體，一個是電能，另外一個就是氫能。經過二十年的發(fā)展在2017年全球的電動汽車保有量是200萬輛，中國超過100萬輛，這個數據這幾年中國一直占全球的50%以上。
再往深層看就是電池，如今普遍使用的電池里，碳酸鋰電池是進步很大的，特別是最近的幾年，成本下降最明顯，同時三元材料在能量密度之類的技術性指標上是進步最快的。目前電動汽車的發(fā)展主要依賴于這兩類的電池體系，當然除了電池本身還有相關技術的進步，在電池模型、電池監(jiān)測，以及基于模型監(jiān)測進行的管理上都有。除了鋰離子電池，燃料電池的熱度在2015年豐田發(fā)布了Mirai之后形成一個小的高峰，之后又回落了。日本發(fā)布的這些燃料電池系統，對我們沖擊是什么？那就是從用戶端感受到的性能而言，它們是可以和傳統汽車的性能相媲美的。
日韓推出的燃料電池汽車主要是轎車，這里還有客車和重卡的應用，特斯拉的Semi就想靠鋰電池解決一切問題，無論大車小車都用鋰電池。當然也有人不服，加氫的時間能控制在15分鐘，這點對于鋰電池的充電時間，是有明顯的優(yōu)勢的。另外我們來看客車，一個美國的燃料電池客車，充能時間可以控制在20分鐘左右，里程相比于我們國家的電動客車也可以大大增加。所以我們看到燃料電池技術在大功率，長距離的場景下還是有明顯的優(yōu)勢。
看過了車的情況，再看電網。電網的發(fā)展也是一百多年的歷史，從1875年巴黎的第一座火電廠、第一批的水電企業(yè)，到2016年全球發(fā)電量達到24.8萬億千瓦時，這其中中國的電力增長速度是非常快的。
我們把這兩個行業(yè)放在一起做了一些測算，從全球和中國兩個維度給出一個基本的概念。假設把全球的乘用車按照年均兩萬公里的行駛里程全部電動化，耗電就是2.84萬億千瓦時，占全球發(fā)電量也就是10%左右。對于中國而言，假設2030年中國汽車保有量能達到2.75億輛，現在大概是一億多輛，就是中國的乘用車在2030年翻將近一倍的話，按每一百公里耗15度電，總的就是0.825萬億千瓦時，也是我們國家發(fā)電量的10%左右。
從功率方面來看，在上海假設有50萬輛電動車，這差不多是上海私人保有汽車量的四分之一，這50萬輛車同時慢充，也就占平均負荷功率的差不多10%。這是50萬輛同時充電時候的情況，功率占比其實并不是特別大，當然局部可能還是會很大，在某一個小區(qū)或者某一個停車場，這是另外的情況。
我們把汽車工業(yè)的底座從原來的石油工業(yè)移到電力工業(yè)上面，可不可以？在經過這樣的一個基本測算之后，心里還有點數的，應該沒有太大問題的。當然，也有人會來問，中國的電基本是靠燒煤發(fā)出來的，這個過程中伴隨很多的污染排放，這是不是把污染簡單的轉移了一下呢？
第一，我們可以看到近年來電力工業(yè)能源結構在發(fā)生變化。第二，在以火電為主的能源結構下，會看到全生命周期的碳排放是減少的，但是減少的并不像我們想象的那么多。拿傳統的燃油車和深度混合動力還有中長續(xù)航里程的電動車來比較，會看到在全生命周期總的碳排放量這一項燃油車是最高的。在包括了生產制造階段還有使用階段的全生命周期里，混合動力是27.2，還是比較低的。同時，大家會看到，長續(xù)航里程的電動汽車把續(xù)航里程加長之后，碳排放量反而會增加，因為電動汽車電池在生產過程當中，還是有高額的碳排放存在的。
再展望一下未來，到2020年，中國能源結構會進一步的優(yōu)化，煤炭所占比例會下降，其他可再生能源或者非化石能源占的比例會上升，當然汽車技術也在進步。我們假設比如說電池的能量密度提高，整車的能耗下降，驅動方面還有整車設計方面改善，汽車在整個全生命周期的碳排放情況會更加優(yōu)化，除此之外電動汽車還有兩大優(yōu)勢，那就是沒有氮氧化物和顆粒物的排放。
再從基礎設施方面來看，全球范圍內，相關基礎設施的建設都在迅速的增加，以慢充和私有樁為主，中國的情況也差不多，在數量上會更多一點，2018年末私有樁數量超過了50萬，公用樁超過40萬。
我們剛剛的比較都是按照乘用車來計算的，因為至少現在鋰電池的水平還達不到可以應用在重型車輛上，雖然特斯拉推出了重型卡車，但是遠遠沒有像轎車那樣符合大家的預期。重型車輛還是要考慮用燃料電池來做，那么我們要算一下氫能夠不夠用。中國2016年的工業(yè)副產氫是1189萬噸，用“水風光”三棄和核電棄電的電力可以分別制196萬噸和146萬噸氫氣。按照一輛車運行三百天，每天用氫0.5公斤來算，這些氫可以分別供7900萬、1300萬和970萬燃料電池車使用，這還是在沒有新的資源投入的情況下。這一點是中國發(fā)展燃料電池起步階段最大的優(yōu)勢，就是氫能這個新能源是有足夠量的。
再比較一下制氫的成本，工業(yè)副產氫大概在10塊錢左右的，電解制氫取決于電價，不同的電價成本也會不一樣。在中國還有一個優(yōu)勢就是煤資源很豐富，煤制氫可以做到一公斤十塊錢以下，八塊七毛錢。但是現在用氫的成本基本在每公斤40塊錢到50塊錢之間，有的地方會到70塊錢，也就是說，制氫的成本很低，但是到的車廠就要加好幾倍的價錢，這里面的差價主要就是運輸、存儲這些問題造成的。因為我們的體系還沒有大規(guī)模地建立起來，有關中國加氫站的數據還是非常少的，就全世界的建設情況來看，總的來看比較領先的是日本，美國的加州以及東海岸地區(qū)和歐洲。
對比了兩種車輛能源體系之后，要思考的就是這樣切換會帶來什么問題？在石油能源補給的時候，也就是5分鐘時間油就加好了，充電慢充的話可能需要五六個小時；至于對能源的網絡的影響，加油的時候是局部的、離線的，但是充電的話是全局的、在線的，是需要和整個網絡發(fā)生關系的。要解決這些問題就需要有高效的電能變換，便捷的電能補給以及友好的能源交互，這里面涉及到一個是能量的交換，另一個是信息的交換。
從能量交換的角度來講，大家都知道需要各種各樣的電能變換，電能變換最基礎的東西就是電子電力器件。下一代的電子器件讓我們這個行業(yè)非常期待，因為可以大大的提高功率密度，這將帶來很多新的可能性，包括充電、逆變、無線充電等領域里一些新的技術手段。有了這樣的裝置就可以實現電流的雙向流動，剛剛發(fā)改委的報告中介紹了雙向充電帶來的好處，雙向能量變換技術的可能性，當然除了能量的交互之外，還需要有價格的傳導機制。
價格傳導機制有一個基礎的東西就是信息要可傳導，過去汽車是一個封閉信息體系，對外交互的信息非常少，當汽車和電網之間發(fā)生交互的時候，需要有大量的信息同時進行交互。在這里面會用到T-box之類的技術，當然還有一些其他的方案。我們思考出來的一個重要結論是，作為能源網絡的一部分，車輛與儲能有關信息必須對電網開放，信息的接口要與充電的接口進行統一的規(guī)范。剛剛講到V2G的問題，大規(guī)模的電動汽車除了充電還可以給電網帶來額外的價值，這個就是V2G的事情，從汽車上取下來的電池，還可以用來做充儲一體，兩極儲能。
除了電，氫能也會帶來一些問題。我們講的氫能補充方式和石油比較接近，也是5分鐘級別的。但是氫能的制、儲、運各個環(huán)節(jié)都有不少的問題，但是好在這些技術領域的問題也都在快速地得到改善。
最后一個結論就是：汽車的將來靠什么呢？靠兩個網絡，一個靠電網，一個靠氫能網絡。一個是在線方式，一個是離線方式，可以看到可再生能源發(fā)電的碎片化問題可以通過更大規(guī)模的氫儲能來解決。這樣的話對于汽車而言，從石油網絡切換到電的網絡就有了支撐。汽車原來和能源網絡之間的弱耦合變成了強耦合，交換物質變成了交換能源，而且還要交換信息，原來的物理系統變成了信息物理系統。最后我們講汽車工藝的優(yōu)化問題不能僅僅在汽車上求解，必須要在更大范圍內求解，要從原來終端的問題升級為能源交通兩個系統的問題來求解。人類自由移動的普遍需求需要建立在電能、氫能的基礎之上，當然具有百年歷史的汽車，也將會在新的能源基礎上面繼續(xù)發(fā)展，謝謝大家！
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