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动力电动化、能源低碳化和整车智能化综合发展路线图展望

之前介绍的具体技术路线预测还仅仅属于动力电动化的范畴,有时往往还会受到质疑,例如“电动汽车使用煤电只是污染转移”,“内燃机的效率还有大突破,燃油车万岁”等。我们只有把电动汽车革命与可再生能源革命及人工智能革命结合起来看才能找到正确答案。如图1所示。电动汽车需要新能源,同时电动汽车革命也将推动新能源革命,动力电动化将与能源低碳化结合,朝着交通电动化与能源交通一体化方向发展;人工智能革命将升级电动汽车革命,整车智能化将与交通网联化结合,朝着新能源智能化电动汽车方向发展。

汽车技术长期发展宏观路线图

图1 汽车技术长期发展宏观路线图

展望2025,在电动化方面,锂离子电池单体比能量达350瓦时/公斤以上,系统250瓦时/公斤左右,价格降到100美元/千瓦时左右。纯电动家用轿车装备容量为50千瓦时、重量为200公斤的电池系统可以续驶400公里以上,购车-用车综合成本与燃油车相当。车用质子交换膜燃料电池系统技术趋于成熟,燃料电池汽车在大型SUV和商用车领域逐步获得市场优势。中国汽车工程学会预测:中国在2030年新能源汽车的市场占有率将达到40%-50%,保有量将达到8000万辆以上。中国汽车电动化发展进程预测如图2所示。

中国汽车电动化进程预测

图2 中国汽车电动化进程预测

在新能源方面,光伏发电价格与煤电相当;分布式能源形成规模;各种新型充电技术成熟并兼容、基础设施普及;适合中国国情的V2G(车与电网互动技术)主流技术和主流商业模式将形成。习近平总书记指出:要推动能源生产与消费的革命。而新能源汽车可以推动能源变革,里夫金在《第三次工业革命》一书中提出实现第三次工业革命的“五大支柱”:向可再生能源转型(尤其是发电),将建筑变为微型发电厂,用氢气、电池等技术存储间歇式能源,发展能源(电能)互联网技术,各种电动汽车成为用能储能并回馈能源终端。分布式、间歇使用的电动汽车与分布式、间歇发电的可再生能源是最优匹配。2030年左右我国非化石能源发电占比预计将达到50%,届时电动汽车保有量接近1亿辆,车载动力电池的容量将达到50亿千瓦时以上,功率将会超过10亿千瓦,通过发展智能充电技术,大规模推广大功率快速充电与V2G的基础设施应用,可以逐步解决可再生能源的储能和负荷平衡问题,如图3所示。此外,在中国特色的集中式大规模可再生能源储存方面,氢能将发挥重要作用。

充电智能化技术路线预测

图3 充电智能化技术路线预测

根据以上分析,预计中国2025年左右是全方位突破的关键转折时期。新能源智能化电动汽车的新时代将会到来。据此可以把新能源汽车分成为三个阶段:第一阶段(现在),新能源汽车1.0时代,目前的电动汽车+辅助驾驶+车载互联网,即电动汽车时代。第二阶段(大约2025年后),新能源汽车2.0时代,在1.0时代的基础上,增加基于新能源革命的新一代可再生能源技术,即新能源电动汽车时代。第三阶段(大约2030年后),新能源汽车3.0时代,在2.0的基础上增加基于人工智能的智能汽车技术,即新能源智能化电动汽车时代。

从现在规划未来的角度看,当前的重点是要推进新能源汽车强长项、补短板、做增量。即强化以动力电池为主能源的纯电动/插电式混合动力的强项;尽快补齐燃料电池汽车的燃料电池“芯片”——膜电极技术、高速无油空压机技术和高比能量低成本车载储氢瓶技术等短板;同时,以新能源汽车推动可再生能源革命,共同造就一个十几万亿规模的产业大增量。另一方面,新能源智能化电动汽车时代也不会自动到来。要从未来倒逼现在,研究建立全部汽车实现电气化(包括混合动力)的时间表,从国家规划的角度倒逼新能源汽车革命和新能源革命。2018年11月9日召开的全国政协“发展新能源汽车”双周座谈会讨论了这一问题并在分地区、分车型禁燃方面取得初步共识。会上笔者也提出建议:从全球看,新能源汽车发展不可逆转,未来十年是电动化转型关键时期。当前,世界多个国家和大多数汽车跨国公司都制定了汽车全部电气化的时间节点。作为全球新能源汽车产业化领先国家,我国要顺应国际趋势,抓住引领汽车工业电动化转型的“牛鼻子”。政府政策要具有前瞻性,尽快研究制定我国全面电气化、停止销售纯燃油汽车的时间节点,统领当前新能源汽车强长项、补短板、做增量全部工作。

图4 清华大学汽车研究所多能源复合微电网试验系统

图4 清华大学汽车研究所多能源复合微电网试验系统

清华大学新能源动力系统团队从2000年开始一直是国家新能源汽车研发的核心团队之一。目前,我们一方面继续针对新能源汽车的技术瓶颈开展深入研发与产业化转化工作。另一方面,根据汽车电动化、智能化和低碳化长期发展趋势,正在将已有的车载移动式新能源混合动力系统技术扩展至固定式新能源系统,开辟光-电-氢(光伏电池、储能电池、燃料电池一体化)能源系统新方向。团队将已有的氢燃料电池系统、天然气发动机发电系统、电池储能系统、充电系统等技术与风力发电、光伏发电等可再生能源技术相结合,正在建立多能源复合微电网系统综合实验平台,如图4所示。并将联合多学科开展交通运载工具直流电气系统与地面分布式直流微网系统一体化平台技术、新一代高效光伏在新能源汽车和微网发电两方面的一体化共性核心技术、光-电-氢-储一体化与新一代车用能源供给技术、电池车用与储能一体化梯次利用技术、交通-能源一体化车网融合(V2G)技术等方面的研究工作,以推动我国电动汽车革命和新能源革命的相互促进与协调发展,共同形成中国领先世界的交通电气化与交通能源一体化创新优势。

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责任编辑:huangsilin

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