钜大LARGE | 点击量：1240次 | 2018年07月15日
详解纯电动、燃料电池、混合动力三个技术路线
可以说，2016年是全球纯电驱动技术转型的标志年。电动汽车经过几起几落，多元探索，经历过铅酸电池、镍氢电池等，都不尽如人意。锂离子电池后来居上，技术进步超出预期，中国新能源汽车产业开始快速发展。
汽车动力电气化几起几落、多元探索，从行业的视角看各有不同。汽车行业一般认为是混合动力、插电、燃料电池的发展路径。信息行业则认为是纯电动、信息化、智能化、共享化。
能源行业，尤其是电网，以前是纯电动、换电池、电池租赁、智能电网。三个行业三股力量逐渐的在竞争中融合。以前汽车行业里的战略取向有两种，一种是发动机优先战略，就是把技术门槛越做越高；另外一个战略是纯电动战略，外行业进入汽车的时候基本上采用这个战略，因为门槛相对比较低一点。
下面举几个例子。特斯拉是典型的纯电动战略，从豪华电动车到家用的电动车Model3。丰田是汽车行业典型的代表，采取的是发动机优先战略，也叫高门槛战略。从燃油车到混合动力，再到燃料电池。
中国该怎么选择一直有很多争论，最终在2012年确立了纯电驱动的发展战略。这个路径跟丰田是刚好相反的。丰田的发动机战略是先做一个混合动力的平台，然后再基于这个平台做各种车型。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
比方说丰田的普锐斯，插电式就是在普锐斯基础上电池加一点点就可以了，燃料电池也是在普锐斯基础上把发动机换成燃料电池。中国模式基本上是先做纯电动，做纯电动的基础上做插电式和深度混合的燃料电池，最终在比较多的电池插电式基础上再减少电池，做一般的混合动力，在燃料电池深度混合的基础上再减少电池，加大难度，做全功率燃料电池。丰田是高端介入，我们是从易到难。
我们先发展电池核心技术，并形成具有竞争力的市场规模最大的电池产业。这些年我们最大的成就是发展出了中国具有全球竞争力的电池产业。有了这个才有突破，如果没有它我们其他都寸步难行。
我们以纯电动力为突破口和基础平台，带动混合动力汽车、燃料电池汽车全方位发展，形成新能源汽车总体竞争优势。
这个战略是由新能源汽车总体专家组最先提出、正式成文于2012年3月份的《电动汽车科技发展规划》，表示要“全面推动纯电驱动技术转型战略”，《节能与新能源汽车产业规划》也再次强调了这一点。
这是在“十五”“十一五”两个五年全面探索之后，在纯电驱动和常规混合动力中选择了以纯电驱动发展作为新能源汽车率先推进的突破口。
确立了这个战略之后，中国新能源汽车进入了快速发展的轨道，尤其是2014年习近平总书记发布号召之后，我国新能源汽车在2011年-2016年的发展过程中从不足5千辆发展到51万辆，保有量从1万辆提升到100万辆，达到了100倍的增长，并且这两个都占全球的一半，处于领先地位。
可以说，2016年是全球纯电驱动技术转型的标志年。电动汽车经过几起几落，多元探索，经历过铅酸电池、镍氢电池等，都不尽如人意。锂离子电池后来居上，技术进步超出预期，中国新能源汽车产业开始快速发展，从产品导入期进入产业成长期，并推动了全球纯电驱动汽车的发展，全球的工业汽车强国开始转型。
下面分别说一下纯电动、燃料电池、混合动力三个技术路线。
一、纯电动技术路线
电池产业经过一定时期的发展，电池的能量密度在不断的提升，成本持续下降。五年之间，单体比能量提升了1倍，现在已经达到200瓦时/公斤，之前预测今年的系统成本大概是1.7元，实际现在已经低于这个数，在1.5元左右，大大超出预期。而且在这个数值区间中，电池厂的纯利润还在10%以上。我们原先预测2020年的系统成本也是偏高的，后来它改到1元左右。
纯电动汽车的引入，是一个“两头挤”的发展形式，大客车和微型电动轿车逐步向中级家用轿车发展，即两头往中间挤，这个局面也已经完全形成了。最早的纯电动产品，里程都是100多公里，现在300公里以上的车已经非常多了。
另外，纯电动商用车的总体水平在全球处于领先地位，产品的规模不断扩大，并且开始出口。充电基础设施也在2016年开始出现拐点，到2016年，我们是15万个充电桩。
从2016年年底开始，每个月新建公共桩的数量最多达到1万多个。除此之外，还有私人桩的建设。每人买辆车自带一个充电桩。电动汽车进入市场成长期之后，整个充电桩产业也开始快速发展，并出现拐点。
下一步的目标是家用主流轿车的性价比和车型技术形成竞争力，其中关键取决于电池，纯电动汽车的性价比就是里程跟成本的比值，因为多100公里续驶里程就得多装100公里的电池，电池成本是比较高的。
为此我们需要致力于降低电池成本，以及整车电耗的下降，另外就是充电设施的便利以及安全管理。我们希望达到的目标是在A0级车百公里电耗降到10度，续驶里程达到300公里左右的小型电动车取消补贴，到2020年综合成本可以跟燃油车竞争。目前全球也都在朝这个方向努力，比如通用、特斯拉Model3也是这样的。
车辆的续驶里程和车型有着密切的关系。一个2.5米长的微型电动汽车，续驶150公里足够了。例如奔驰Smart就是这样的车，没有必要搞500公里，也装不了那么多电池，因为体积就那么小。
A00级，像QQ这么大的，我们认为200公里是合理的。到A0级车，家用轿车像伊兰特这种，300公里是合适的。到A级车，如捷达等，400公里是合理的。B级、C级中高档轿车可能要500公里。
现在从国际的调查看，日本消费者对续驶里程300公里的车接受度为70%；在欧洲则需要500公里，因为欧洲开车速度非常高，行驶里程也相对长。各个地方市场是不一样的，车型也不一样。在超快速充电方面。欧洲的提法是350千瓦的大功率充电，可以实现充电15分钟，续驶500公里。
这是欧洲部分车企针对部分车型B级、C级豪华车的需要设计的。但是显然B级以下都是不需要的。而且随着充电基础设施的高速发展和普及，如果充电非常方便，用户反而会降低对里程的要求。日本也认为这个指标是过度的。
为了提高里程，电池的体积也必须降下来，如果电池体积过大，想装也装不上去。一般来说，家用轿车的体积大约为220L，大型的SUV，装电池的体积大约是400L。
电池的体积能量密度，即每升多少能量，跟重量能量密度是对应的。比方说重量能量密度为250瓦时/公斤的电池，其体积能量密度大概是每升500瓦时。因此不同的能量密度也决定了里程的长短，比如SUV，要做500、600、700、800公里都是可能的，但是轿车体积有限制，像QQ那么大的车要它跑500公里，就不现实，因为他没有体积，装不了对应的电池。
如何解决电池的体积问题？现在的做法是在逐步地提升电池能量密度，到2020年可以达到300瓦时/公斤，每升大概接近600瓦时，就可以极大的解决这个问题。目前这个技术路线已经完全确立，也就是说从现在的200瓦时/公斤提到300瓦时/公斤没有问题，而且有些产品已经做出来了，如贝特瑞的材料已经用在松下的电池上了。
还有一个成本问题。装那么多电池成本怎么办？这要在全产业链发力，重点环节突破。首先，最为薄弱的环节是原材料，百人会在青海做了一个电池材料的研讨会。
电池材料主要在青海那边，现在一吨碳酸锂成本为1万-3万，卖价在15万-17万，这是高额利润。合理的价格是每吨3万-5万，如果到达这个价格，电池成本将大幅下降。另外一个是在生产制造环节降低成本，目前电池良品率还不够高，一致性还不够好。
第三个是材料回收和循环再利用。钴是非常稀有的材料，全球总储量七八百万吨，所以必须做好回收。现在一辆特斯拉要用十几公斤钴，是很大的数。
到2020年，镍的比例将会提高、钴的比例会下降，但是一辆车也要5公斤左右，所以必须要做好材料回收。总之，材料的成本是最关键的，而且材料的涨价也是最不容易控制的，因为材料是资源问题。
究竟降到多少才算低？我们可以按照内燃机动力系统的价格来反推纯电动力系统的价格，内燃机动力系统是发动机、变速器、油箱等等，纯电力系统是DC/DC、逆变器、电机等。电池用60千瓦时能走多远？
到2020年，可以达到400公里，这样算出来价格要等价的话，电池大约是100美元，六七百人民币一度电就可以跟内燃机等价。这个价格什么时候能达到呢？这是一个价格下降的曲线，这是2020年的估计值，100美元-200美元之间。
2030年的估计值在100美元以下，我个人估计2020年每千瓦时，大概在1000人民币-100欧元-100美元之间，接近这个，但是很难做到100美元，可能有的企业做到，有的企业做不到，平均做不到。2025年大概在100欧元跟100美元之间，就是2025年是可以做到的。
一旦做到这个价格，就是拐点全方位出现，以此估计纯电动汽车推广的进程大概是这样的：
第一阶段，2010-2015年，示范考核公共领域政府第一推动；
第二阶段，2014-2017年，政府补贴+政府限购，老百姓被动“吃螃蟹”；
第三阶段，2017-2020年，充电设施后来居上破解“鸡与蛋”的关系；
第四阶段，2019-2025年，将实行双积分政策，进入市场主导阶段。现在进入市场的电动汽车反馈还是不错的，没有太多人抱怨电动汽车，所以会形成市场和政策双轮驱动。纯电动车将会在2025年左右突破性价比，实现大发展。
有一个问题要特别注意，高比能量动力电池面临着安全性挑战，比能量越大，安全性越差，会出现热失控。温度上来将引起一系列连锁反应，温度到达800-1000度就会燃烧爆炸，尤其是电池单体燃烧之后会放鞭炮一样。
众所周知，电动汽车的电池系统一般都有几百只到上千只单体电池，如果让热失控在整个系统里面蔓延出去，将会出大事故。所以这是我们需要解决的。为此我们清华建立了电池安全实验室，全方位做安全。
包括电池碰撞，也包括电池的化学，还有电池的集成。现在不仅仅是国内的厂家关注这个问题，奔驰、宝马、日产等全球顶尖级的厂家都在跟我们合作。
我们可以采取一些措施防止热失控的扩展，这边就是热失控的一个模块，一个热失控了，第二个、第三个等等后续一个一个接着来，我们的系统可以控制住，不会热失控。以前的大客车，比能量200瓦时/公斤的电池是不可能用上去的，现在这里是200瓦时/公斤的三元电池，系统比能量是150瓦时/公斤，仍然是安全的。
二、燃料电池技术路线
关于燃料电池的技术路线，中国跟国外的不一样，但也还是有一定优势。最初国外的大客车是纯燃料电池驱动，轿车是全功率燃料电池系统，燃料电池搞的很大。中国的是燃料电池跟动力电池的深度混合大客车，燃料电池做辅助动力的增程式燃料电池轿车，这是中国的特色与技术路线。
这么做的好处是成本降低，因为目前燃料电池比电池要贵，最重要的是耐久性的提高，燃料电池最大的问题是耐久性。现在国内已经做出了燃料电池发动机。我们认为去年是燃料电池汽车发展的启动年，今年有可能成为中国燃料电池汽车商业化的元年。
其中的核心问题是怎么突破燃料电池。现在燃料电池混合动力技术已基本突破。虽然混合动力解决了很多问题，但是燃料电池本身还是很重要的。我们国家经历了很多年的研发，燃料电池的主要技术路线是从底向上，做催化剂、再做膜、再做极板、再做堆、再做发动机、做车，这是一种模式。
还有一种技术路线是从上至下。第一步先做混合动力系统，发动机外协。第二步，研发燃料电池发动机，电堆外协。第三步，研发燃料电池电堆，膜电极外协。第四步，研发膜电极，基础材料外协。
每一步都能够做到产业化。这种技术路线我们叫“剥洋葱”模式。我们清华团队采用这种模式已经取得了较大进展。我们从燃料电池混合动力系统起步，现在已发展出自主的新一代电堆。形成了成套技术并培育出了燃料电池上市公司。
未来的走向看，燃料电池不能局限在汽车领域里，燃料电池不仅仅是汽车的前沿技术，还是能源前沿技术，如果局限在汽车里，这件事情是很难完全成功的。燃料电池有点像柴油发动机，不是汽油机。
汽油机可以由电池完全取代，但是柴油机用途非常广，不光是汽车，坦克、飞机、船舶、发电全都有柴油机，所以燃料电池定位在一个通用型的动力机械，这也是发改委能源革命创新行动计划关于燃料电池技术的基本定位。
我们去年做了《中国车用氢能燃料电池技术路线图》，对燃料电池汽车的产业化预测比较谨慎，2020年大约是5000-1万辆、2025年5万-10万辆、2030年100万辆左右。
最近我国燃料电池代表团刚刚访问日本回来，观感有几点：第一，日本的相关发展仍然还是比较缓慢的，基础设施还是比规划进展的要迟缓。另外，他们挑战了技术难度过高的乘用车，现在每天大概生产13辆。
他们公交车公司又太小，没办法来更换新能源车，这是他们的弱点。美国在这方面，2018年的预算比今年还要有所下降，因为特朗普上台之后对所有的预算都在往下减。中国相对活跃，资本市场运作兴盛。我们有一个最好的发展环境，就是以公交车、物流车、出租车为突破口，完全有希望后来居上。
三、混合动力技术路线
混合动力技术路线相对来说是最复杂的，因为这里头有很多东西不一定能看得明白。
经过十几年的发展，中国典型混合动力构型已经出现了，如比亚迪后并联、上汽、广汽的双电机串并联、比亚迪四驱电桥构型、科力远的功率分流等。一直以来丰田的功率分流在业内一度被捧上神坛，但是现在这个我认为应该走下神坛，为什么？我下面分析一下。
首先，是丰田的功率分流混合动力。功率分流混合动力为什么能够省油呢？因为发动机总在最高效率点，不管在哪儿都能弄过来，怎么弄过来的呢？系统里有两个电机、一个发动机，接了三个轮子，太阳轮、行星轮、齿轮架，我们要调节发动机的转速靠什么呢？
靠发电机，这叫ECVT，就是电的CVT，这是普锐斯，是津津乐道被大家崇拜的。现在出现了什么呢？比方说本田的串并联，照样也可以来优化这个点，不管你在哪里，我都可以把你做到最佳点，照样可以，不是说只有普锐斯可以。
还有现在最简单的一种并联式P2构型，所谓P2构型就是说发动机、离合器、电机接着变速器，但是接在变速器前面，刚才那个是后并联接在变速器后面，这是一个DCT双离合器变速器，它也可以来优化发动机工况点。
可以用变速器横向调节转速，再用电机纵向调节转矩，横向、纵向两个自由度调。从对比实验图中可以看出起亚的P2构型混合动力比丰田的功率分流混合动力油耗还要低一些。
还有一个，大家以前看不起串联，说串联油耗太高。那时候为什么油耗高？因为电池不好，那时候多是铅酸电池，镍氢电池；电机不好，都不好当然油耗就高了。
现在电池性能好了，发动机油耗也低了，日产e-POWER串联混合动力燃料经济性可以电动37.2公里/升，在日本一上市就是畅销车型，超过普锐斯，所以普锐斯不是神话。
我们比较不同混合动力的特性，包括发动机工作点优化、动态转矩协调、全工况适应性、安装适应性、动力性、经济性兼顾等等，都有办法，不是功率分流一家。但是有一个共同的点，就是高效发动机是必须的。
要实现汽车动力系统的一体化和模块化，我个人认为有两种思路。
?双平台战略：从燃油车过来，是一个平台，从纯电动过来就是另一个平台。第一，从内燃机发展过来，内燃机—双离合器—多档变速器动力系统；然后发展成机电耦合P2构型混合动力，一般是纵置，横置减档；然后再发展出插电式混合动力。第二，纯电驱动平台，动力电池纯电动力系统，然后是串联增程式/插电式，然后串联式混合动力，然后到燃料电池串联混合动力。
?单一纯电驱动平台：把汽车所有的动力系统连成一片。具体而言首先是动力电池纯电动力系统—串联增程式/插电式动力系统—串联式混合动力（包括燃料电池串联混合动力）—串并联式混合动力系统—内燃机动力系统。不需要搞十样、二十样。大家知道，当初搞客车的时候，一年改一个样子，每年都变化，现在怎么样？都过去了，电池好了，没必要了。要减少发展的弯路，我认为必须实现模块化、平台化、成本最低、可持续发展。
上一篇：快速充电会影响锂离子电池寿命吗？
下一篇：给手机充电，你做对了吗?
