2020年是新能源汽车发展的里程碑之年

　　2021年1月16日，第七届中国电动汽车百人会论坛的活动现场，中国电动汽车百人会副理事长、中国科学院院士欧阳明高发表题为“面向碳中和的新能源汽车创新与发展”的讲话。以下为讲话内容：

　　2020年是新能源汽车发展的一个里程碑意义的年份。这一年新能源汽车行业峰回路转，新能源汽车规划(2012-2020)目标任务圆满收官。这一年，是新能源汽车大规模进入家庭的元年，新能源汽车从政策驱动到市场驱动的转折年，也是新能源汽车利好发展政策纷纷出台的一年，尤其是习主席提出2030碳达峰和2060碳中和的宏伟目标，给新能源汽车可持续发展注入强大动力。所以我想就这个问题从汽车动力与能源革命的背景来看看中国新能源汽车发展所处的历史方位。

　　大家知道每次能源革命都是先发明了动力装置和交通工具，然后带动对能源资源的开发利用，并引发工业革命。第一次能源革命，动力装置是蒸汽机，能源是煤炭，交通工具是火车。第二次能源革命，动力装置是内燃机，能源是石油和天然气，能源载体是汽、柴油，交通工具是汽车。第一次是英国超过荷兰，第二次是美国超过英国。

　　现在正处于第三次能源革命，动力装置是各种电池。能源是可再生能源，能源载体有两个，电和氢，交通工具就是电动汽车。所以这一次也许是中国赶超的机会。

　　那么第四次工业革命又是什么?我个人理解是以可再生能源为基础的绿色化和以数字网络为基础的智能化。

　　下面我想从能源与工业革命的视角从三个方面来谈新能源汽车。第一，动力电动化的新进展，也就是电动车革命;第二，能源低碳化的新要求，这就是新能源革命;最后是系统智能化的新趋势，这是人工智能革命。

　　第一、动力电动化的新进展

　　动力电动化在中国已经进行了20年，这些我们都很熟悉了。我要重点提的就是锂离子电池的发明实现了蓄电池领域百年来的历史性突破，一定要看到新一代车用动力电池和氢燃料电池等电化学能源系统的产业化是汽车动力百年来的历史性突破。

　　下面我想谈一下近年来在这方面的一些新进展。

　　首先，中国纯电动汽车动力电池的技术创新非常活跃。中国动力电池技术创新的模式已经从政府主导向市场驱动转型。从行业政治运作向企业商业运作的转型。大家知道近期有很多发布会都谈到电池创新，这是正常的商业运作，当然不能过度，过度就变成炒作了。

　　第二，中国电池材料研究处于国际先进行列。但电池材料创新是厚积薄发的过程，是需要长努力的。因为我们要平衡比能量、寿命、快充、安全、成本等相互矛盾的性能指标。如果某一位说他的车既能跑一千公里，又能几分钟充完电，还特别地安全，而且成本还非常低，那大家不用相信，因为这在目前是不可能同时达到的。值得一提的是，电池系统的结构创新辅以电池单体材料的改进成为近年来中国动力电池技术创新的鲜明特征。

　　我们采用工信部的电动车车型数据画了一张图。横轴是电池系统的总能量，纵轴是续航里程。可以看出车载电池包的总能量和相应的续航里程在不断提升，正在向千公里续航里程迈进。刚开始时三元动力电池还没实现产业化，那时主要是磷酸铁锂电池，所以续航里程偏低。后来体积能量密度高的三元电池工业化解决了，车载电池能量大幅增加，电动轿车市场开始启动，续航里程增加了，但还不是特别高。近年来，三元电池比能量的提升，受到安全问题的限制没有大幅增长，所以行业转向电池系统结构创新。

　　大家看图中，红色箭头代表三元单体电池性能，近年来通过补锂、添硅，还有固液混合电解质等做了一些改进。目前三元方形电池能量密度可以达到300瓦时/公斤，采用固液混合电解质的软包电池可以达到360瓦时/公斤，相当于方形电池的320-330瓦时/公斤。现在磷酸铁锂电池补锂、添硅后，也突破200瓦时/公斤。对于乘用车而言，关键是提升电池系统比能量，让轿车的有限空间内可以装更多的电池。电池系统结构从原先标准的355模组和590模组，进一步到宁德时代的CTP(单体到电池包)无模组系统，尤其是比亚迪的刀片电池无模组系统，通过电池结构创新大幅提升成组效率，单体到系统比能量打折的比值，从原先的0.4提到了0.6，也就是说单体到系统的体积成组效率从40%增加到60%，提升了50%，这是一个巨大的变化，使原来装磷酸铁锂电池的轿车续航里程不够长的问题基本得到解决，续航里程可以做到600公里。近期国轩又推出J2M，就是电池卷芯直接到模块，这些都是中国企业做的，是我们中国电池行业引领国际电池技术发展的一个重要标志。

　　进一步向前发展，可能还有电池包直接作为底盘的结构件(如刀片电池包)、或者单体直接到车辆等。我认为这些都有待进一步研究，创新潜力还比较大。

　　虽然一千公里续航并不是我们追求的主要目标，但电动汽车的能量需求肯定还是要上升的。如近期出现的冬天低温续航里程缩水问题，实际上也是一个能量问题，如果你有一个长续航的车，打折也不怕。当然更重要的是提升整车集成的技术水平，也就是电动汽车的节能水平。为什么低温续航里程缩水会这么大?首先是电芯性能在低温下的下降，同时制热比制冷能耗更大;还有动力系统效率的降低，比如制动能量回馈功能基本丧失，滚动阻力也增大了;还有里程估计的精度下降，这也容易引起顾客的里程焦虑，体验不好。

　　总体看，中国电动车环境适应性技术需求迫切，我在这里简单提一下技术创新及其改进的方向。

　　1、电池热管理系统效能优化，包括PTC加热器、热泵空调、电机激励加热等。目前PTC加热需要进一步改进，云端控制提前预热;热泵空调在低温下的效能需要进一步增强;电机激励加热是电机静止时通过电机线圈和电池组成回路对电池加热，这也是一个很好的方案，但噪声较大，加热速率每分钟3°C度不算高。现在有改进技术，可以提升加热速度到每分钟8°C度。

　　2、面向冬季工况的动力系统能量综合利用，包括回收电机运行的废热，进行电池加热，另外无法回馈的电可以用于PTC加热。

　　3、充电场景下电池的插枪保温和脉冲加热。目前大家回家充电才插枪，充完电就拔掉，但是后续为了有序充电，插枪并不一定充电，是到后半夜才充电。另外还有车与电网互动(V2G)，往电网回馈电，就是反向充电，这些都要求充电桩一直跟车保持相连，这就为插枪保温带来方便，也就出车之前提前半小时用电网电对车加热。此外具备双向充电功能的快充桩，可以对电池进行脉冲加热。这方面技术创新是活跃，低温续航缩水问题会逐步得到缓解。

　　还有一个动力电池的热安全问题也还没有根本解决。电池热安全问题本质上是电池自生热连锁反应引起的电池热失控(温度失控)，在这不做详细介绍。总体看中国动力电池安全问题研究早，热失控科学和技术研究走在世界前列。

　　重点看主要是本征安全、被动安全和主动安全三方面安全保障技术。所谓本征安全就从单体电池的热失控机理着手，从材料层次进行热设计，从设计和制造的角度保证安全。所谓被动安全就是在某一个单体电池热失控以后，通过系统热管理，即隔热和散热的方法，抑制它在电池包内蔓延的速度保持不燃烧状态，现在法规要求是5分钟，将来会提升到半小时。中国的领先企业已经发布不燃烧的电池包产品，是很重要的技术进展。主动安全就是电池智能管理与充电控制，例如利用云平台和电池大数据进行热失控提前预警，这是我们整车企业必须要掌握的核心技术。领先的厂家已经完全可以做到，现在正在推广普及之中。

　　总体看，安全是所有汽车追求的永恒主题，不要指望换一种新电池后所有的安全就彻底解决，安全都是相对的，都是由安全技术保障的。

　　下面，谈谈氢燃料电池技术现状与趋势。

　　经过长期的艰苦努力，中国车用燃料电池技术近年来取得产业化突破。应该说氢燃料电池技术比锂离子电池技术研究的还要早，经过20年的研究，经历了一些曲折，但近年来取得重大突破。

　　数据统计显示现在的性能跟五年前相比，所有主要的性能指标都有大幅的提升，比如核心指标燃料电池寿命提升了300%。国产燃料电池零部件的产业链已经建立，系统集成能力大幅增强，头部企业正在形成，这就是目前的状态。下一步的重点就是要使燃料电池系统成本十年内下降80%以上。过去十年锂离子电池就是这样发展的，燃料电池滞后了十年。系统成本要从2020年的5000元/千瓦下降到2030年的600元/千瓦。大家知道近期我们行业已经开始打价格战了，说实话我不希望现在就开打价格战，应该是稳步下降。但总体来看，这个价格下降应该是完全可以预期的。但燃料电池汽车不仅需要燃料电池系统成本降低，很重要的是车载储氢的成本，这个成本我预测比燃料电池下降会相对慢一些。现在国内已经投产塑料内胆碳纤维缠绕的700大气压车载高压储氢瓶。因为刚开始生产，目前成本是很高的。预计到2025年储一公斤氢的氢瓶成本3000元。主要材料成本来自碳纤维，现在中石化已经建立了大型的高强度碳纤维工厂来解决这个问题。

　　往前看氢能燃料电池的技术路线图。2025年目标是推广5-10万氢燃料电池车;2030-2035年实现80-100万辆应用规模，这都是以商用车为主体。在这个情况下，氢需求量到2030年大概三百万吨左右，这个可能比我们预期的低。这还是按商用车为主体预测的，如果主要是轿车，几十万吨就够了。但加氢站的数量可能比我们想象的要多。因为加氢效率比加天然气要低，氢是最轻的一种气体，只是天然气密度的1/8。当前氢燃料电池汽车发展还面临一些挑战，比如说氢燃料产业链自主化程度与技术水平和燃料电池还有差距，电解绿氢技术、氢储运技术、氢安全技术还需要改进提升，氢燃料的成本总体偏高，这是今后5-10年必须努力解决的。

　　总结比较一下各种汽车动力。如果基于化石能源来看各类轿车油井到车轮的能效，三种电动汽车的动力比传统汽油车都要高很多，但是基于化石能源的纯电动、燃料电池与油电混合动力能效差别不大。既然如此，如果基于化石能源，油电混合动力其实是非常合理的选择，为什么非要搞纯电动和燃料电池汽车呢?这就必须从下一个革命的角度来看待这个问题，这就是能源低碳化的新要求。

　　第二、能源低碳化的新要求

　　国际公认第三次能源革命有五大支柱：第一，向可再生能源转型;第二集中式转向分布式，建筑都变成微型发电厂，现在北京市也开始补贴光伏，我工作的汽车研究所屋顶早就铺上光伏了，现在清华大学计划在大部分房顶都铺上光伏;第三，用氢气、电池等技术存储间歇式能源，因为可再生能源是间歇波动的;第四，发展能源互联网技术，把分布式能源链接起来;第五，电动汽车成为用能、储能并回馈能源的终端。

　　所以电池、氢能和电动汽车是新能源革命的重要组成部分。习主席提出2030/2060低碳发展目标和能源革命的重大战略。中国的光伏和风电在全球是有优势的，现在已经具备更大规模推广条件，但是储能是瓶颈，需要靠电池、氢能和电动车解决。逻辑上来讲，只有实现新能源汽车大规模发展才能实现新能源革命，只有实现新能源革命才能实现中国碳中和目标，下面解释一下这个逻辑。

　　有待开发的可再生能源主要是风和光，能源载体是电和氢。首先电这个载体是光伏、风机转化来的。光伏也是一个革命性技术，现在市场上规模销售的硅基太阳能电池效率在22%左右，在我国西部光照条件好的地方大规模光伏发电的成本都在一毛钱左右。下一步硅基光伏会和钙钛矿进一步结合，把可见光和近红外光都用上，可以进一步把效率提升到30%以上。钙钛矿出现10年已经出现突飞猛进的进步，从十年前的效率3%到现在实验室已经接近30%，它会和现在的单晶硅结合再做成复合的光伏电池。国际能源署认为光伏将是综合成本最便宜的能源，所以现在技术创新非常活跃。

　　其次是氢能，可再生能源只有两个载体，电和氢能。面向碳中和前景，氢能汽车只是氢能利用的一部分，或者说是先导部分，氢能不仅仅是为了汽车，发展氢能汽车使命之一就是为了带动氢能全面发展。因为交通行业对氢价格的容忍度最好，以后还有炼钢、化工，发电，大型燃气轮发电机组也是要用氢的。

　　氢能目前主要通过电解水制得。电解水制氢和刚才讲的燃料电池恰巧是一个逆过程。氢和氧结合生成水，发出电，但是有电和水就可以产生氢气和氧气，所以把燃料电池成本降下来也可以带动把制氢成本降下来，这是一个问题的两个方面。现在主要有三种燃料电池，也就有三种主要制氢方式。碱性燃料电池对应碱性电解、质子交换膜燃料电池对应质子膜电解，固体氧化燃料电池对应固体氧化物电解，它们技术成熟度各不相同。现在成熟的、中国有价格优势的是碱性电解技术，正在进行商业化的是质子交换膜电解技术，我认为5-10年后质子交换膜电解技术会大规模发展起来。正在发展的未来一代是固体氧化物电解技术，因为它的效率极高。可再生能源制氢成本和可再生能源电价密切相关。目前我们在张家口风电制氢电价一毛五分一度，氢的电耗成本一公斤氢约7元。

　　此外还有很多氢的载体，比如说液氨，做尿素的氨，它的质量储氢比可以达到17.8%，体积储氢密度更高，100升可以做到12公斤，比液氢要高一倍以上，液氢大概100升能够到6公斤。所以国际上也有所谓的氨经济、氮循环等很多新的概念。氨可直接用于化肥和塑料橡胶等产品和发电，分解出氢后又可以用于更多方面。制氨的过程是先电制氢，然后再捕捉空气中的氮，氮和氢结合生成氨，可以用传统的工业催化合成氨，现在正在发展电催化合成氨新技术。

　　还有就是电制合成燃料，现在欧洲，尤其是德国特别热的用可再生能源发电制合成燃料，叫E-FUEL，在中国叫“液态阳光”，大家可能知道最近“液态阳光”很火热。电合成燃料可以是各种各样的，如汽油，但是中国说的“液态阳光”主要指的是甲醇。电制氢，氢加二氧化碳可以合成甲醇，再以甲醇为中间产物合成二甲醚等等。或者氢与一氧化碳组成的合成气通过费托工艺生成中间产物合成油，再改质异构生产汽油等最终产品。这条技术路线燃料使用端不用建基础设施，但是生产端要建大量的基础设施，生产一升油需要2.9-3.6公斤的二氧化碳，如果从空气捕捉耗能是比较大的。但是作为燃料燃烧使用时二氧化碳又回到大气了。如果用于氢燃料电池，还要从甲醇再重整反应获得氢和二氧化碳，这种情境下，甲醇实际上是作为氢的储运方式。

　　所以需要对基于可再生能源进行全链条的能效分析。据壳牌公司的研究报告，如果是充电电动车能效大约77%，如果是氢燃料电池车大约是30%。因为电制氢效率60%多，燃料电池能效50-60%，这两者相乘就是30%多，而纯电动基本上没有这个过程，是最简单、最直接的。还有利用电合成燃料继续采用内燃机汽车则是13%。如果电价相同，总体能效的差别大体就是成本差别，对可再生能源而言主要不是节能和排放问题，而是成本问题。所以充电电池能干好的事一般来讲就不用氢燃料电池。但是还有很多应用场景充电电池是干不好的。

　　另外还有一个问题，制氢用的电价有没有可能比充电的电价更便宜呢?这是有可能的。这就是我要谈的第三点，系统智能化的新趋势，人工智能革命。必须从系统的角度来观察才能找到结论。

　　第三、系统智能化的新趋势

　　再生能源系统为主的能源系统必须要有储能装备，还要有提供基础电源的大型发电机组，这个大型发电机组现在用化石能源，将来用氢或者液氨等。基于可再生能源的智慧能源系统里，负荷、电源、储能和网络协同互动，电价是由系统的能量流和信息流耦合动态过程决定的。如果从环节看，可再生能源主要成本可能将来不一定在发电环节，而可能在储能等其它环节。因此，储能是关键。

　　从储能的功率和存储的时间看，电池是中小功率短周期存储。它与分布式光伏匹配还可以，但对有些大规模风电厂就不一定合适了。如这月有风、下月没风等场景，这时主要要靠氢。氢是大规模长周期储存，所以这两种储能必须组合才能构成一个总的储能系统。

　　先看电池储能技术。现在受到电动汽车市场拉动，动力电池需求大幅上升。乐观估计，2025年中国电池的产量可能会达到年产10亿千瓦时，是一个庞大的产业，成本会持续地下降。以锂离子电池为代表的动力电池正在成为分布式短周期小规模可再生能源储存的最佳选择。

　　如果我们十年多时间发展到一亿辆充电电动汽车，车载电池总能量就达50-60亿度电，储能潜力巨大。但同时也要看到，充电的功率也巨大，但耗电量并不是很大，这是值得注意的特征。

　　我讲一个极端的情况，如果三亿辆中国乘用车全部改成纯电动车，每辆车平均65度电，那么车载储能的容量约为200亿千瓦时，与中国每天消费的总电量是相当的。如果10%的电动车三千万辆车按照50千瓦的中等速率同时充电，那么充电总功率就是15亿千瓦，与全国电网总装机功率相当。电力系统功率全都要给电动车充电了，这是不可能实现的。那么按平均每辆轿车年行驶两万公里，三亿辆车每天消费电量大约是20亿千瓦时，占比总消费量10%，这是完全可以接受的。

　　大规模电动汽车推广的优点是储能潜力巨大，问题是充电功率也巨大。要趋利避害，首先利用储能潜力来抑制电网的波动。据国家发改委能源研究所研究报告，北京到2030年总电力负荷在1500万千瓦到3300万千瓦之间剧烈波动，如果有五百万辆电动车的储能作用，电网负荷波动范围缩小到2000万千瓦-2200千瓦之间。但是如果有6万辆车同时用350千瓦从电网充电则充电总功率超过2000万千瓦，几乎相当于北京电力的总负荷。所以必须通过有序充电、车与电网双向充电、储能放电、换电池和充换电一体化等智能充电方式将充电功率大幅收窄。

　　我个人认为，对于商业目的的乘用车，如共享车、出租车，原则上来讲换电是一个不错的商业模式。不过换电的最佳用场景可能还是电动中重卡。这种中重卡可以使用充换一体化快速能源补给站，轿车超级快充、中重卡快速换电，两者合建。重卡要的电池容量大大超过轿车，换电的备用电池包可以给轿车放电，提供快充，形成互补。最终的形态将是“光-储-充-换”多能互补的微网系统。

　　目前卡车换电已经在国内开展，我个人认为卡车换电从经济账来看完全可以算过来。在一些特殊场景，比如港口和煤矿都已经做得不错了，现在是要在高速公路实现。这种换电只需三五分钟，车电分离、电池租赁，电池由电池银行持有，大的电池银行电池用电量大，负荷预测准，可以在电力交易中拿到低电价。同时大量的购买电池也可以压低电池价格。另外全生命周期管理电池，可以使电池寿命增长、梯次利用。

　　现在的关键是标准法规。目前轿车换电的标准法规比较难进行，，因为各种车品牌不一样，诉求不相同，泥腿子和穿皮鞋的很难在一块换电。但是相对而言卡车问题不大。

　　另外换电本来是因为充电慢、充电不方便等原因兴起的。对轿车快充大家肯定还有疑虑。要强调的是对私家乘用车而言，基于车网融合和大功率快充技术的发展前景以及电池底盘一体化设计趋势，我个人更看好的还是充电。私家车平时在家或者在单位慢充(单位建慢充桩的潜力还完全没有挖掘出来)，还可以车网互动，现在国家电网电动车服务公司正在示范车网互动，通过国网电动的后台调度系统，志愿者的车既可以充电买电又可以放电卖电，卖电高价、充电低价，用电费用可以基本平衡，甚至还可以赚钱。也就说买了电动车之后，将来能源费用会趋于零甚至盈利。

　　但高速公路长途必须有一个超快补电的措施。在什么情况下超快补电合适?一般而言，安全事故都是在电池电量80%以上出现的，很少发现50%电量以下的有安全事故。这从电化学机理可以解释。在电量充满的时候正极材料的锂离子大部分都跑出来了，结构稳定性最差;锂离子嵌入负极后，电池膨胀导致内应力加大，内短路隐患容易发生;还有充满了之后电池组的不一致性暴露，如果管理不好，个别电量低的单体电池就有可能已经过充析锂了。在电量低于50% 时这些情况一般都不会发生。而应急补电肯定是在低电量时进行的，而且只补电不充满。

　　2020年中电联公布了中日两国合作制定的大功率快充新标准——超级充电标准，中电联预计2025年可以全面提供超充服务。据我团队的研究表明，对一个续航里程600公里的车5分钟应急补电充200公里(也就是电量增加1/3)是完全可行的。但要注意对一个续航里程200公里的车用5分钟充满，这个一般做不到，除非它采用特殊负极的快充电池，如钛酸锂负极。其次在应急补电快充时温升快，要进行增强冷却。还有在冬天低温条件下必须先加热再快充，充电站的低温脉冲加热技术，可以做到每分钟升温8°C度。这些技术现在都在开发之中，我们和国网合作，准备选择高速公路率先示范。

　　下面我谈谈氢能。氢能是集中式可再生能源大规模、长周期存储的最佳途径。理由是：

　　第一，能源利用的充分性。氢能大容量、长周期储能模式对可再生电力的利用更充分。有些电力电池储不了，比方说四川的季节性水电，只有氢能储得了。所以说制氢的电价比充电的电价便宜是有可能的。

　　第二，规模储能的经济性氢能比电池好，车下固定储氢大概比储电成本上大约要低一个数量级。

　　第三，与电网基础发电电源的互补性。氢能可作为大容量、长周期、高功率灵活能源使用，如用于燃料电池发电，或者用于大型氢燃气机发电。大电网不可能全是风电、光伏。德国能源转型早，可再生能源比例高，由于当时储能技术不成熟，只能保留大部分传统发电机组作为灵活能源用于调节和稳定电网，实施的是双保险措施，导致电价很贵。现在靠储能可以把传统机组规模降下来，但是不可能降的很低，必须要有基础电源，这时氢可以发挥重大作用。

　　第四，氢的制、储、运方式灵活。我国的大规模集中式可再生能源基地在新疆、内蒙、宁夏等西部偏远地区，这些地方的氢能需要千公里以上长途输运。同时绿氢的输送通道和特高压电输送通道是重合的，发挥超高压输电的中国优势，开展长途输电当地制氢也是一种选择。这两类方式从储能角度没什么太大差别，关键是谁的经济性更好。我们初步分析比较发现长途输电当地制氢方案总体看是有一定优势的。按电力专家介绍的特高压千公里输电成本为8分钱/度电为基准计算，当可再生能源发电在0.1元/千瓦时左右时，可以大致实现加氢枪出口价格30元/kg左右的目标，与柴油比具有价格竞争力。这样一来就形成一种中国特色的长途输氢方案，而且利用了我国的能源互联网优势。

　　展望一下未来十年交通智慧能源生态的建设大概有两个组合。一个黄金组合，就是分布式光伏+电池+电动汽车+物联网+区块链;还有一个白银组合，集中式的远距离的风电与光伏+氢能储能及发电+燃料电池汽车+物联网+区块链。一个是分布式的智慧能源，一个集中式智慧能源，两者结合，共同构成面向碳中和的未来智慧能源大系统。

　　最后我做一个总结——迎接第三次能源革命和第四次工业革命。一百多年前的第二次能源革命引发了马车到汽车的大转型和石油行业的大繁荣。主要的转型期从1900年开始，大概经历了25年左右。现在第三次能源革命就在眼前。我估计与上次马车到汽车的转变类似，今后二三十年交通装备与能源化工相关产业将发生百年未有之大变局。让我们共同迎接第四次工业革命，也就是以可再生能源为基础的绿色化和以数字网络为基础的智能化。