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同濟(jì)大學(xué)魏學(xué)哲:能源視角下的電動(dòng)汽車電源關(guān)鍵技術(shù)分析
發(fā)布時(shí)間:2018-05-22 16:49:00
關(guān)鍵詞:CIBF2018

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圖為同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心主任魏學(xué)哲發(fā)表主題演講


5月22日,“2018第一屆新能源汽車及動(dòng)力電池(CIBF深圳)國(guó)際交流會(huì)”在深圳會(huì)展中心舉行。同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心主任魏學(xué)哲在“新能源汽車專場(chǎng)——識(shí)·新政策下車電攜手的變革之路”主題論壇上發(fā)表演講。以下是演講內(nèi)容。

同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心主任魏學(xué)哲:

  今天我主要從幾個(gè)方面與大家分享:汽車能源網(wǎng)絡(luò)切換的必要性、電動(dòng)車輛的電源技術(shù)進(jìn)步、汽車能源網(wǎng)絡(luò)切換的可能性、能源網(wǎng)絡(luò)切換的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題、普遍能源支持下的可持續(xù)自由移動(dòng)。

  汽車能源網(wǎng)絡(luò)切換的必要性

  人類對(duì)自由移動(dòng)是普遍的需求,汽車是速度和自由度的結(jié)合體,對(duì)于很多人來(lái)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(chǎn)品,汽車與工業(yè)是相互促進(jìn)發(fā)展起來(lái)的,汽車工業(yè)是在石油工業(yè)基礎(chǔ)上的能源體系。

  二戰(zhàn)以后石油產(chǎn)量每十年翻一番,先是美國(guó)發(fā)展汽車工業(yè),之后在歐洲和日本建立了兩大汽車中心。1954-2001年,世界五百?gòu)?qiáng)第一名要么是汽車公司,要么是石油公司,到后來(lái)其他的金融行業(yè),IT行業(yè)開始崛起。不管怎么樣,汽車工業(yè)和石油工業(yè)在整個(gè)工業(yè)體系里還是占了非常舉足輕重的地位。

  過(guò)去汽車污染占1/3,煤改氣以后煤減少了,汽車超過(guò)一半,風(fēng)險(xiǎn)又進(jìn)一步增加,因此在中國(guó)以及歐洲,很多國(guó)家都提出,要把汽車能源切換掉。

  過(guò)去一百年,汽車工業(yè)和石油工業(yè)是相互促進(jìn)、相互發(fā)展的狀態(tài)。汽車出行的自由度在增加,保有量持續(xù)增加,但中國(guó)2030年碳排放不能再增加了,這是中國(guó)對(duì)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(lái)理解,汽車和石化百年聯(lián)姻將面臨解體。在百年的時(shí)間尺度下,放在環(huán)境和能源大格局里,自由移動(dòng)是普遍的需求,這里面需要我們提出來(lái)答案。

  電動(dòng)車輛的電源技術(shù)進(jìn)步

  汽車從“十五”開始,我們有“三縱三橫”的技術(shù)路線。據(jù)國(guó)際能源署(IEA)2017年發(fā)布數(shù)據(jù):全球電動(dòng)汽車保有量達(dá)到200萬(wàn)輛;中國(guó)電動(dòng)汽車保有量達(dá)到100萬(wàn)輛,成為全球最大的電動(dòng)汽車市場(chǎng);上海電動(dòng)汽車保有量超過(guò)10萬(wàn)輛,成為全球保有量最大城市。

  大家知道現(xiàn)在電池性能不斷提升,價(jià)格不斷降低,不管是鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、三元,從監(jiān)測(cè)到管理技術(shù)都在不斷提升。

  現(xiàn)在,以鋰電池為基礎(chǔ)的電動(dòng)汽車不斷進(jìn)步。2016年豐田發(fā)布Mirai,燃料電池取得突破性的進(jìn)展,并且點(diǎn)燃了大家對(duì)燃料電池的信心,Mirai之后本田發(fā)布了Clarity。從中國(guó)的情況來(lái)看,估計(jì)一兩年內(nèi)我們也能達(dá)到這樣的水平。

  通過(guò)對(duì)比燃料電池和鋰電池,我們會(huì)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(jié)論。

  我們可以這樣理解,燃料電池技術(shù)在大功率、長(zhǎng)距離的里程上應(yīng)用很嫻熟,小型車上目前還是以鋰電池占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

  汽車能源網(wǎng)絡(luò)切換的可能性

  要切換到電動(dòng)汽車,電能、電網(wǎng)絡(luò)能不能做好支撐?2016年全球發(fā)電總量24.82萬(wàn)億千瓦時(shí)。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(shí)間里電力工業(yè)經(jīng)過(guò)了瘋狂增長(zhǎng),其瘋狂程度可能超過(guò)今天鋰電池。

  我們換一組算法再來(lái)看,假設(shè)全球乘用車2015年是9.47億輛,每輛車一年跑2萬(wàn)公里,100公里耗電量是15度電,我們得到的結(jié)論是,全球乘用車全部電動(dòng)化后,年耗電量是2.84萬(wàn)億千瓦時(shí),占當(dāng)年發(fā)電量11.7%。

  普華永道給出的數(shù)據(jù),2030年乘用車保有量是2.75萬(wàn)億輛,同樣如果按照一年2萬(wàn)公里,百公里15度電的話,全部電動(dòng)化之后耗電量是0.825萬(wàn)億千瓦時(shí),按預(yù)計(jì)發(fā)電量的5.7%,即使把車輛全部切換到電網(wǎng)上來(lái)看,也不過(guò)就占全年發(fā)電量的10%左右,還是可以接受的數(shù)據(jù),不是像有些人講的,會(huì)出現(xiàn)電不夠用的情況。

  我們來(lái)算一下功率,功率能不能滿足?

  拿上海市來(lái)算,2010年、2011年、2012年、2015年、2020年,平均復(fù)合功率是第二行里顯示的,10萬(wàn)輛電動(dòng)車是今天的情況,假設(shè)同時(shí)充電,20萬(wàn)輛同時(shí)充電,50萬(wàn)輛同時(shí)充電,我是按照慢充考慮,大家會(huì)看到50萬(wàn)輛車同時(shí)充電的情況下,根據(jù)2015年的數(shù)據(jù),平均復(fù)合來(lái)算大概是9%,2020年是7%,可以得出一個(gè)結(jié)論,能量沒(méi)有問(wèn)題,功率也沒(méi)有問(wèn)題,我們講的還是總量,總量上沒(méi)有問(wèn)題,局部有沒(méi)有問(wèn)題?局部可能是有問(wèn)題的,局部的問(wèn)題要靠局部的優(yōu)化解決。

  現(xiàn)在還有人在提,車輛電動(dòng)化之后還是增加排放了,無(wú)非是把排放轉(zhuǎn)到發(fā)電廠。我們按照這樣的能源結(jié)構(gòu)再算一下,燃油車1.1噸,發(fā)動(dòng)機(jī)1.5L的話,我算兩個(gè)數(shù),一個(gè)是生產(chǎn)階段的碳排放,一個(gè)是使用階段的碳排放,按照10萬(wàn)、15萬(wàn)公里來(lái)算,一個(gè)是燃油車,一個(gè)是深度混合,另外是中續(xù)航里程。假設(shè)開200公里,或是再增加開300公里算,電動(dòng)車不管是200公里還是300公里,和傳統(tǒng)燃油車相比還是有明顯的碳排放改善,這個(gè)情況不如深度混合汽車。

  現(xiàn)在火電、煤電的比例已經(jīng)降到49%,其他的可再生能源、天然氣會(huì)上升,假設(shè)站在這樣的角度,我們重新再算一次,傳統(tǒng)燃油車的比例從36.9噸下降到32.2噸,深度混合動(dòng)力降到24%,長(zhǎng)續(xù)航里程電動(dòng)車降到22.3%,這個(gè)時(shí)候我們會(huì)看到,即使對(duì)于混合動(dòng)力來(lái)講,電動(dòng)汽車也可以完勝。

  發(fā)電效率的提高與電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整,中國(guó)發(fā)一度電需要耗多少煤,原來(lái)700多克到現(xiàn)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(xiàn)在大家都在談300瓦時(shí)/公斤,還是350瓦時(shí)/公斤,現(xiàn)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(yōu)化,10度電100公里的概念,應(yīng)該是有可能完成的,綜合這些因素考慮電動(dòng)車的碳排放效果會(huì)有比較大的提升空間。

  現(xiàn)在全球范圍內(nèi)充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模在快速增加,以慢充和私有樁為主,中國(guó)2017年已經(jīng)突破20萬(wàn)樁。

  再來(lái)看一下氫。總的來(lái)講,中國(guó)氫能的總量非常大,2016年工業(yè)副產(chǎn)氫氣1189萬(wàn)噸,棄水棄風(fēng)棄光電可制氫196萬(wàn)噸,核電棄電可制氫146萬(wàn)噸。換算一下,假設(shè)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(wàn)、1300萬(wàn)、970萬(wàn)輛燃料電池車運(yùn)行。截止到2018年2月,中國(guó)大陸正在運(yùn)行的加氫站有12個(gè),在建加氫站19個(gè)。

  能源網(wǎng)絡(luò)切換的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

  所謂普遍能源網(wǎng)絡(luò),假設(shè)從石油網(wǎng)絡(luò)切換到基于電能和氫能的普通能源網(wǎng)絡(luò),氫能可以使新能源發(fā)電的碎片化問(wèn)題得以解決,總的儲(chǔ)能量還是太少,我們?cè)诮鉀Q可再生能源的碎片化問(wèn)題上還是不可或缺的技術(shù)。

  我們能夠想象出來(lái),石油網(wǎng)絡(luò)切換到電網(wǎng)絡(luò),車輛和過(guò)去石油網(wǎng)絡(luò)是弱耦合的關(guān)系,將來(lái)會(huì)變成強(qiáng)耦合的關(guān)系。能源補(bǔ)充系統(tǒng)會(huì)和信息的交互結(jié)合在一起,汽車工業(yè)的優(yōu)化問(wèn)題需要在更大范圍內(nèi)求解,從終端問(wèn)題升級(jí)為能源、交通兩個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題。

  截止到今天,我也不認(rèn)為電動(dòng)汽車的性能會(huì)比燃油汽車好,也就是說(shuō),如果僅僅從汽車來(lái)談,為什么要切換到電能上,其實(shí)做不出答案,沒(méi)有辦法說(shuō)服包括我在內(nèi)的很多做汽車的人,不認(rèn)可這個(gè)事情。但是我們要放到更大的范圍內(nèi)談這個(gè)事情。

  普遍能源支持下的可持續(xù)自由移動(dòng)

  人類自由移動(dòng)的普遍需求,需要建立在普遍能源基礎(chǔ)上,具有百年歷史的汽車將在普遍能源的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上持續(xù)發(fā)展。

  這是我的報(bào)告,謝謝大家。

  (根據(jù)嘉賓發(fā)言整理,未經(jīng)嘉賓審閱)

稿件來(lái)源: 電池中國(guó)網(wǎng)
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