鉅大LARGE | 點擊量：1250次 | 2018年07月15日
詳解純電動、燃料電池、混合動力三個技術路線
可以說，2016年是全球純電驅動技術轉型的標志年。電動汽車經過幾起幾落，多元探索，經歷過鉛酸電池、鎳氫電池等，都不盡如人意。鋰離子電池后來居上，技術進步超出預期，中國新能源汽車產業開始快速發展。
汽車動力電氣化幾起幾落、多元探索，從行業的視角看各有不同。汽車行業一般認為是混合動力、插電、燃料電池的發展路徑。信息行業則認為是純電動、信息化、智能化、共享化。
能源行業，尤其是電網，以前是純電動、換電池、電池租賃、智能電網。三個行業三股力量逐漸的在競爭中融合。以前汽車行業里的戰略取向有兩種，一種是發動機優先戰略，就是把技術門檻越做越高；另外一個戰略是純電動戰略，外行業進入汽車的時候基本上采用這個戰略，因為門檻相對比較低一點。
下面舉幾個例子。特斯拉是典型的純電動戰略，從豪華電動車到家用的電動車Model3。豐田是汽車行業典型的代表，采取的是發動機優先戰略，也叫高門檻戰略。從燃油車到混合動力，再到燃料電池。
中國該怎么選擇一直有很多爭論，最終在2012年確立了純電驅動的發展戰略。這個路徑跟豐田是剛好相反的。豐田的發動機戰略是先做一個混合動力的平臺，然后再基于這個平臺做各種車型。
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-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
比方說豐田的普銳斯，插電式就是在普銳斯基礎上電池加一點點就可以了，燃料電池也是在普銳斯基礎上把發動機換成燃料電池。中國模式基本上是先做純電動，做純電動的基礎上做插電式和深度混合的燃料電池，最終在比較多的電池插電式基礎上再減少電池，做一般的混合動力，在燃料電池深度混合的基礎上再減少電池，加大難度，做全功率燃料電池。豐田是高端介入，我們是從易到難。
我們先發展電池核心技術，并形成具有競爭力的市場規模最大的電池產業。這些年我們最大的成就是發展出了中國具有全球競爭力的電池產業。有了這個才有突破，如果沒有它我們其他都寸步難行。
我們以純電動力為突破口和基礎平臺，帶動混合動力汽車、燃料電池汽車全方位發展，形成新能源汽車總體競爭優勢。
這個戰略是由新能源汽車總體專家組最先提出、正式成文于2012年3月份的《電動汽車科技發展規劃》，表示要“全面推動純電驅動技術轉型戰略”，《節能與新能源汽車產業規劃》也再次強調了這一點。
這是在“十五”“十一五”兩個五年全面探索之后，在純電驅動和常規混合動力中選擇了以純電驅動發展作為新能源汽車率先推進的突破口。
確立了這個戰略之后，中國新能源汽車進入了快速發展的軌道，尤其是2014年習近平總書記發布號召之后，我國新能源汽車在2011年-2016年的發展過程中從不足5千輛發展到51萬輛，保有量從1萬輛提升到100萬輛，達到了100倍的增長，并且這兩個都占全球的一半，處于領先地位。
可以說，2016年是全球純電驅動技術轉型的標志年。電動汽車經過幾起幾落，多元探索，經歷過鉛酸電池、鎳氫電池等，都不盡如人意。鋰離子電池后來居上，技術進步超出預期，中國新能源汽車產業開始快速發展，從產品導入期進入產業成長期，并推動了全球純電驅動汽車的發展，全球的工業汽車強國開始轉型。
下面分別說一下純電動、燃料電池、混合動力三個技術路線。
一、純電動技術路線
電池產業經過一定時期的發展，電池的能量密度在不斷的提升，成本持續下降。五年之間，單體比能量提升了1倍，現在已經達到200瓦時/公斤，之前預測今年的系統成本大概是1.7元，實際現在已經低于這個數，在1.5元左右，大大超出預期。而且在這個數值區間中，電池廠的純利潤還在10%以上。我們原先預測2020年的系統成本也是偏高的，后來它改到1元左右。
純電動汽車的引入，是一個“兩頭擠”的發展形式，大客車和微型電動轎車逐步向中級家用轎車發展，即兩頭往中間擠，這個局面也已經完全形成了。最早的純電動產品，里程都是100多公里，現在300公里以上的車已經非常多了。
另外，純電動商用車的總體水平在全球處于領先地位，產品的規模不斷擴大，并且開始出口。充電基礎設施也在2016年開始出現拐點，到2016年，我們是15萬個充電樁。
從2016年年底開始，每個月新建公共樁的數量最多達到1萬多個。除此之外，還有私人樁的建設。每人買輛車自帶一個充電樁。電動汽車進入市場成長期之后，整個充電樁產業也開始快速發展，并出現拐點。
下一步的目標是家用主流轎車的性價比和車型技術形成競爭力，其中關鍵取決于電池，純電動汽車的性價比就是里程跟成本的比值，因為多100公里續駛里程就得多裝100公里的電池，電池成本是比較高的。
為此我們需要致力于降低電池成本，以及整車電耗的下降，另外就是充電設施的便利以及安全管理。我們希望達到的目標是在A0級車百公里電耗降到10度，續駛里程達到300公里左右的小型電動車取消補貼，到2020年綜合成本可以跟燃油車競爭。目前全球也都在朝這個方向努力，比如通用、特斯拉Model3也是這樣的。
車輛的續駛里程和車型有著密切的關系。一個2.5米長的微型電動汽車，續駛150公里足夠了。例如奔馳Smart就是這樣的車，沒有必要搞500公里，也裝不了那么多電池，因為體積就那么小。
A00級，像QQ這么大的，我們認為200公里是合理的。到A0級車，家用轎車像伊蘭特這種，300公里是合適的。到A級車，如捷達等，400公里是合理的。B級、C級中高檔轎車可能要500公里。
現在從國際的調查看，日本消費者對續駛里程300公里的車接受度為70%；在歐洲則需要500公里，因為歐洲開車速度非常高，行駛里程也相對長。各個地方市場是不一樣的，車型也不一樣。在超快速充電方面。歐洲的提法是350千瓦的大功率充電，可以實現充電15分鐘，續駛500公里。
這是歐洲部分車企針對部分車型B級、C級豪華車的需要設計的。但是顯然B級以下都是不需要的。而且隨著充電基礎設施的高速發展和普及，如果充電非常方便，用戶反而會降低對里程的要求。日本也認為這個指標是過度的。
為了提高里程，電池的體積也必須降下來，如果電池體積過大，想裝也裝不上去。一般來說，家用轎車的體積大約為220L，大型的SUV，裝電池的體積大約是400L。
電池的體積能量密度，即每升多少能量，跟重量能量密度是對應的。比方說重量能量密度為250瓦時/公斤的電池，其體積能量密度大概是每升500瓦時。因此不同的能量密度也決定了里程的長短，比如SUV，要做500、600、700、800公里都是可能的，但是轎車體積有限制，像QQ那么大的車要它跑500公里，就不現實，因為他沒有體積，裝不了對應的電池。
如何解決電池的體積問題？現在的做法是在逐步地提升電池能量密度，到2020年可以達到300瓦時/公斤，每升大概接近600瓦時，就可以極大的解決這個問題。目前這個技術路線已經完全確立，也就是說從現在的200瓦時/公斤提到300瓦時/公斤沒有問題，而且有些產品已經做出來了，如貝特瑞的材料已經用在松下的電池上了。
還有一個成本問題。裝那么多電池成本怎么辦？這要在全產業鏈發力，重點環節突破。首先，最為薄弱的環節是原材料，百人會在青海做了一個電池材料的研討會。
電池材料主要在青海那邊，現在一噸碳酸鋰成本為1萬-3萬，賣價在15萬-17萬，這是高額利潤。合理的價格是每噸3萬-5萬，如果到達這個價格，電池成本將大幅下降。另外一個是在生產制造環節降低成本，目前電池良品率還不夠高，一致性還不夠好。
第三個是材料回收和循環再利用。鈷是非常稀有的材料，全球總儲量七八百萬噸，所以必須做好回收。現在一輛特斯拉要用十幾公斤鈷，是很大的數。
到2020年，鎳的比例將會提高、鈷的比例會下降，但是一輛車也要5公斤左右，所以必須要做好材料回收。總之，材料的成本是最關鍵的，而且材料的漲價也是最不容易控制的，因為材料是資源問題。
究竟降到多少才算低？我們可以按照內燃機動力系統的價格來反推純電動力系統的價格，內燃機動力系統是發動機、變速器、油箱等等，純電力系統是DC/DC、逆變器、電機等。電池用60千瓦時能走多遠？
到2020年，可以達到400公里，這樣算出來價格要等價的話，電池大約是100美元，六七百人民幣一度電就可以跟內燃機等價。這個價格什么時候能達到呢？這是一個價格下降的曲線，這是2020年的估計值，100美元-200美元之間。
2030年的估計值在100美元以下，我個人估計2020年每千瓦時，大概在1000人民幣-100歐元-100美元之間，接近這個，但是很難做到100美元，可能有的企業做到，有的企業做不到，平均做不到。2025年大概在100歐元跟100美元之間，就是2025年是可以做到的。
一旦做到這個價格，就是拐點全方位出現，以此估計純電動汽車推廣的進程大概是這樣的：
第一階段，2010-2015年，示范考核公共領域政府第一推動；
第二階段，2014-2017年，政府補貼+政府限購，老百姓被動“吃螃蟹”；
第三階段，2017-2020年，充電設施后來居上破解“雞與蛋”的關系；
第四階段，2019-2025年，將實行雙積分政策，進入市場主導階段。現在進入市場的電動汽車反饋還是不錯的，沒有太多人抱怨電動汽車，所以會形成市場和政策雙輪驅動。純電動車將會在2025年左右突破性價比，實現大發展。
有一個問題要特別注意，高比能量動力電池面臨著安全性挑戰，比能量越大，安全性越差，會出現熱失控。溫度上來將引起一系列連鎖反應，溫度到達800-1000度就會燃燒爆炸，尤其是電池單體燃燒之后會放鞭炮一樣。
眾所周知，電動汽車的電池系統一般都有幾百只到上千只單體電池，如果讓熱失控在整個系統里面蔓延出去，將會出大事故。所以這是我們需要解決的。為此我們清華建立了電池安全實驗室，全方位做安全。
包括電池碰撞，也包括電池的化學，還有電池的集成。現在不僅僅是國內的廠家關注這個問題，奔馳、寶馬、日產等全球頂尖級的廠家都在跟我們合作。
我們可以采取一些措施防止熱失控的擴展，這邊就是熱失控的一個模塊，一個熱失控了，第二個、第三個等等后續一個一個接著來，我們的系統可以控制住，不會熱失控。以前的大客車，比能量200瓦時/公斤的電池是不可能用上去的，現在這里是200瓦時/公斤的三元電池，系統比能量是150瓦時/公斤，仍然是安全的。
二、燃料電池技術路線
關于燃料電池的技術路線，中國跟國外的不一樣，但也還是有一定優勢。最初國外的大客車是純燃料電池驅動，轎車是全功率燃料電池系統，燃料電池搞的很大。中國的是燃料電池跟動力電池的深度混合大客車，燃料電池做輔助動力的增程式燃料電池轎車，這是中國的特色與技術路線。
這么做的好處是成本降低，因為目前燃料電池比電池要貴，最重要的是耐久性的提高，燃料電池最大的問題是耐久性。現在國內已經做出了燃料電池發動機。我們認為去年是燃料電池汽車發展的啟動年，今年有可能成為中國燃料電池汽車商業化的元年。
其中的核心問題是怎么突破燃料電池。現在燃料電池混合動力技術已基本突破。雖然混合動力解決了很多問題，但是燃料電池本身還是很重要的。我們國家經歷了很多年的研發，燃料電池的主要技術路線是從底向上，做催化劑、再做膜、再做極板、再做堆、再做發動機、做車，這是一種模式。
還有一種技術路線是從上至下。第一步先做混合動力系統，發動機外協。第二步，研發燃料電池發動機，電堆外協。第三步，研發燃料電池電堆，膜電極外協。第四步，研發膜電極，基礎材料外協。
每一步都能夠做到產業化。這種技術路線我們叫“剝洋蔥”模式。我們清華團隊采用這種模式已經取得了較大進展。我們從燃料電池混合動力系統起步，現在已發展出自主的新一代電堆。形成了成套技術并培育出了燃料電池上市公司。
未來的走向看，燃料電池不能局限在汽車領域里，燃料電池不僅僅是汽車的前沿技術，還是能源前沿技術，如果局限在汽車里，這件事情是很難完全成功的。燃料電池有點像柴油發動機，不是汽油機。
汽油機可以由電池完全取代，但是柴油機用途非常廣，不光是汽車，坦克、飛機、船舶、發電全都有柴油機，所以燃料電池定位在一個通用型的動力機械，這也是發改委能源革命創新行動計劃關于燃料電池技術的基本定位。
我們去年做了《中國車用氫能燃料電池技術路線圖》，對燃料電池汽車的產業化預測比較謹慎，2020年大約是5000-1萬輛、2025年5萬-10萬輛、2030年100萬輛左右。
最近我國燃料電池代表團剛剛訪問日本回來，觀感有幾點：第一，日本的相關發展仍然還是比較緩慢的，基礎設施還是比規劃進展的要遲緩。另外，他們挑戰了技術難度過高的乘用車，現在每天大概生產13輛。
他們公交車公司又太小，沒辦法來更換新能源車，這是他們的弱點。美國在這方面，2018年的預算比今年還要有所下降，因為特朗普上臺之后對所有的預算都在往下減。中國相對活躍，資本市場運作興盛。我們有一個最好的發展環境，就是以公交車、物流車、出租車為突破口，完全有希望后來居上。
三、混合動力技術路線
混合動力技術路線相對來說是最復雜的，因為這里頭有很多東西不一定能看得明白。
經過十幾年的發展，中國典型混合動力構型已經出現了，如比亞迪后并聯、上汽、廣汽的雙電機串并聯、比亞迪四驅電橋構型、科力遠的功率分流等。一直以來豐田的功率分流在業內一度被捧上神壇，但是現在這個我認為應該走下神壇，為什么？我下面分析一下。
首先，是豐田的功率分流混合動力。功率分流混合動力為什么能夠省油呢？因為發動機總在最高效率點，不管在哪兒都能弄過來，怎么弄過來的呢？系統里有兩個電機、一個發動機，接了三個輪子，太陽輪、行星輪、齒輪架，我們要調節發動機的轉速靠什么呢？
靠發電機，這叫ECVT，就是電的CVT，這是普銳斯，是津津樂道被大家崇拜的。現在出現了什么呢？比方說本田的串并聯，照樣也可以來優化這個點，不管你在哪里，我都可以把你做到最佳點，照樣可以，不是說只有普銳斯可以。
還有現在最簡單的一種并聯式P2構型，所謂P2構型就是說發動機、離合器、電機接著變速器，但是接在變速器前面，剛才那個是后并聯接在變速器后面，這是一個DCT雙離合器變速器，它也可以來優化發動機工況點。
可以用變速器橫向調節轉速，再用電機縱向調節轉矩，橫向、縱向兩個自由度調。從對比實驗圖中可以看出起亞的P2構型混合動力比豐田的功率分流混合動力油耗還要低一些。
還有一個，大家以前看不起串聯，說串聯油耗太高。那時候為什么油耗高？因為電池不好，那時候多是鉛酸電池，鎳氫電池；電機不好，都不好當然油耗就高了。
現在電池性能好了，發動機油耗也低了，日產e-POWER串聯混合動力燃料經濟性可以電動37.2公里/升，在日本一上市就是暢銷車型，超過普銳斯，所以普銳斯不是神話。
我們比較不同混合動力的特性，包括發動機工作點優化、動態轉矩協調、全工況適應性、安裝適應性、動力性、經濟性兼顧等等，都有辦法，不是功率分流一家。但是有一個共同的點，就是高效發動機是必須的。
要實現汽車動力系統的一體化和模塊化，我個人認為有兩種思路。
?雙平臺戰略：從燃油車過來，是一個平臺，從純電動過來就是另一個平臺。第一，從內燃機發展過來，內燃機—雙離合器—多檔變速器動力系統；然后發展成機電耦合P2構型混合動力，一般是縱置，橫置減檔；然后再發展出插電式混合動力。第二，純電驅動平臺，動力電池純電動力系統，然后是串聯增程式/插電式，然后串聯式混合動力，然后到燃料電池串聯混合動力。
?單一純電驅動平臺：把汽車所有的動力系統連成一片。具體而言首先是動力電池純電動力系統—串聯增程式/插電式動力系統—串聯式混合動力（包括燃料電池串聯混合動力）—串并聯式混合動力系統—內燃機動力系統。不需要搞十樣、二十樣。大家知道，當初搞客車的時候，一年改一個樣子，每年都變化，現在怎么樣？都過去了，電池好了，沒必要了。要減少發展的彎路，我認為必須實現模塊化、平臺化、成本最低、可持續發展。
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