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    同濟大學魏學哲:能源視角下的電動汽車電源關鍵技術分析
    發布時間:2018-05-22 16:49:00
    關鍵詞:CIBF2018

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    圖為同濟大學新能源汽車工程中心主任魏學哲發表主題演講


    5月22日,“2018第一屆新能源汽車及動力電池(CIBF深圳)國際交流會”在深圳會展中心舉行。同濟大學新能源汽車工程中心主任魏學哲在“新能源汽車專場——識·新政策下車電攜手的變革之路”主題論壇上發表演講。以下是演講內容。

    同濟大學新能源汽車工程中心主任魏學哲:

      今天我主要從幾個方面與大家分享:汽車能源網絡切換的必要性、電動車輛的電源技術進步、汽車能源網絡切換的可能性、能源網絡切換的關鍵技術問題、普遍能源支持下的可持續自由移動。

      汽車能源網絡切換的必要性

      人類對自由移動是普遍的需求,汽車是速度和自由度的結合體,對于很多人來講要靠公共交通出行,截至2015年,全球共有12.82億輛車。1886年卡爾·本茨獲得汽車專利,之后汽油成為最主要石油產品,汽車與工業是相互促進發展起來的,汽車工業是在石油工業基礎上的能源體系。

      二戰以后石油產量每十年翻一番,先是美國發展汽車工業,之后在歐洲和日本建立了兩大汽車中心。1954-2001年,世界五百強第一名要么是汽車公司,要么是石油公司,到后來其他的金融行業,IT行業開始崛起。不管怎么樣,汽車工業和石油工業在整個工業體系里還是占了非常舉足輕重的地位。

      過去汽車污染占1/3,煤改氣以后煤減少了,汽車超過一半,風險又進一步增加,因此在中國以及歐洲,很多國家都提出,要把汽車能源切換掉。

      過去一百年,汽車工業和石油工業是相互促進、相互發展的狀態。汽車出行的自由度在增加,保有量持續增加,但中國2030年碳排放不能再增加了,這是中國對全世界的承諾。污染物的排放要求日益提高,化石能源不可再生,從這樣的角度來理解,汽車和石化百年聯姻將面臨解體。在百年的時間尺度下,放在環境和能源大格局里,自由移動是普遍的需求,這里面需要我們提出來答案。

      電動車輛的電源技術進步

      汽車從“十五”開始,我們有“三縱三橫”的技術路線。據國際能源署(IEA)2017年發布數據:全球電動汽車保有量達到200萬輛;中國電動汽車保有量達到100萬輛,成為全球最大的電動汽車市場;上海電動汽車保有量超過10萬輛,成為全球保有量最大城市。

      大家知道現在電池性能不斷提升,價格不斷降低,不管是鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、三元,從監測到管理技術都在不斷提升。

      現在,以鋰電池為基礎的電動汽車不斷進步。2016年豐田發布Mirai,燃料電池取得突破性的進展,并且點燃了大家對燃料電池的信心,Mirai之后本田發布了Clarity。從中國的情況來看,估計一兩年內我們也能達到這樣的水平。

      通過對比燃料電池和鋰電池,我們會看到,在重型車上,不管是卡車還是商用車,燃料電池汽車完勝鋰離子汽車,大客車上也是一樣的結論。

      我們可以這樣理解,燃料電池技術在大功率、長距離的里程上應用很嫻熟,小型車上目前還是以鋰電池占有絕對的優勢。

      汽車能源網絡切換的可能性

      要切換到電動汽車,電能、電網絡能不能做好支撐?2016年全球發電總量24.82萬億千瓦時。從歷史上看,1875年巴黎北火車站建成世界第一座火電站,一百年的時間里電力工業經過了瘋狂增長,其瘋狂程度可能超過今天鋰電池。

      我們換一組算法再來看,假設全球乘用車2015年是9.47億輛,每輛車一年跑2萬公里,100公里耗電量是15度電,我們得到的結論是,全球乘用車全部電動化后,年耗電量是2.84萬億千瓦時,占當年發電量11.7%。

      普華永道給出的數據,2030年乘用車保有量是2.75萬億輛,同樣如果按照一年2萬公里,百公里15度電的話,全部電動化之后耗電量是0.825萬億千瓦時,按預計發電量的5.7%,即使把車輛全部切換到電網上來看,也不過就占全年發電量的10%左右,還是可以接受的數據,不是像有些人講的,會出現電不夠用的情況。

      我們來算一下功率,功率能不能滿足?

      拿上海市來算,2010年、2011年、2012年、2015年、2020年,平均復合功率是第二行里顯示的,10萬輛電動車是今天的情況,假設同時充電,20萬輛同時充電,50萬輛同時充電,我是按照慢充考慮,大家會看到50萬輛車同時充電的情況下,根據2015年的數據,平均復合來算大概是9%,2020年是7%,可以得出一個結論,能量沒有問題,功率也沒有問題,我們講的還是總量,總量上沒有問題,局部有沒有問題?局部可能是有問題的,局部的問題要靠局部的優化解決。

      現在還有人在提,車輛電動化之后還是增加排放了,無非是把排放轉到發電廠。我們按照這樣的能源結構再算一下,燃油車1.1噸,發動機1.5L的話,我算兩個數,一個是生產階段的碳排放,一個是使用階段的碳排放,按照10萬、15萬公里來算,一個是燃油車,一個是深度混合,另外是中續航里程。假設開200公里,或是再增加開300公里算,電動車不管是200公里還是300公里,和傳統燃油車相比還是有明顯的碳排放改善,這個情況不如深度混合汽車。

      現在火電、煤電的比例已經降到49%,其他的可再生能源、天然氣會上升,假設站在這樣的角度,我們重新再算一次,傳統燃油車的比例從36.9噸下降到32.2噸,深度混合動力降到24%,長續航里程電動車降到22.3%,這個時候我們會看到,即使對于混合動力來講,電動汽車也可以完勝。

      發電效率的提高與電力結構的調整,中國發一度電需要耗多少煤,原來700多克到現在300多克,也還是有很大的碳排放效率。另外電池能量密度的提升,現在大家都在談300瓦時/公斤,還是350瓦時/公斤,現在也不太好判斷。

      隨著電壓的提高和新一代電子器件和整車的優化,10度電100公里的概念,應該是有可能完成的,綜合這些因素考慮電動車的碳排放效果會有比較大的提升空間。

      現在全球范圍內充電基礎設施規模在快速增加,以慢充和私有樁為主,中國2017年已經突破20萬樁。

      再來看一下氫??偟膩碇v,中國氫能的總量非常大,2016年工業副產氫氣1189萬噸,棄水棄風棄光電可制氫196萬噸,核電棄電可制氫146萬噸。換算一下,假設一輛車每年用300天,每天用氫0.5公斤,差不多可以開50公里,這些既有資源可以分別供7900萬、1300萬、970萬輛燃料電池車運行。截止到2018年2月,中國大陸正在運行的加氫站有12個,在建加氫站19個。

      能源網絡切換的關鍵技術問題

      所謂普遍能源網絡,假設從石油網絡切換到基于電能和氫能的普通能源網絡,氫能可以使新能源發電的碎片化問題得以解決,總的儲能量還是太少,我們在解決可再生能源的碎片化問題上還是不可或缺的技術。

      我們能夠想象出來,石油網絡切換到電網絡,車輛和過去石油網絡是弱耦合的關系,將來會變成強耦合的關系。能源補充系統會和信息的交互結合在一起,汽車工業的優化問題需要在更大范圍內求解,從終端問題升級為能源、交通兩個系統問題。

      截止到今天,我也不認為電動汽車的性能會比燃油汽車好,也就是說,如果僅僅從汽車來談,為什么要切換到電能上,其實做不出答案,沒有辦法說服包括我在內的很多做汽車的人,不認可這個事情。但是我們要放到更大的范圍內談這個事情。

      普遍能源支持下的可持續自由移動

      人類自由移動的普遍需求,需要建立在普遍能源基礎上,具有百年歷史的汽車將在普遍能源的網絡基礎上持續發展。

      這是我的報告,謝謝大家。

      (根據嘉賓發言整理,未經嘉賓審閱)

    稿件來源: 電池中國網
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