電池技術(shù)驅(qū)動交通電動化

分布式光伏、智能電網(wǎng)、電池儲能從無序充電變?yōu)橛行虺潆娪糜陔妱悠嚒?/p>

“2009至2018年的10年間，中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)從無到有，目前年產(chǎn)量和保有量均處于全球領(lǐng)先地位。隨著跨國汽車企業(yè)先后轉(zhuǎn)型新能源汽車，該產(chǎn)業(yè)已經(jīng)達到高潮。”近日，在由愛思唯爾主辦的“新能源動力系統(tǒng)與交通電動化”線上研討會上，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高為新能源汽車發(fā)展提振信心。

電動汽車、電動飛機、電動公交車……這些以清潔電力作為驅(qū)動系統(tǒng)的交通工具，其迅猛發(fā)展使得環(huán)境污染、能源短缺等諸多時代難題得以破解。

不過，交通電動化發(fā)展中還將面臨哪些挑戰(zhàn)?動力系統(tǒng)裝置技術(shù)瓶頸又該如何破解?諸多問題仍亟待解答。

市場興旺但難題待解

日前，國際能源署(IEA)發(fā)布《全球電動汽車展望2020報告》(以下簡稱《報告》)。《報告》指出，2019年，全球電動汽車銷量同比增長6%，突破210萬輛，占全球汽車銷量的2.6%;電動汽車保有量增長40%，達到720萬輛，占全球汽車保有量的1%。在可持續(xù)發(fā)展的情境下，預(yù)計到2030年全球電動汽車年均增長36%，達到2.45億輛。

不難看出，全球電動汽車未來市場興旺，前景可期，國內(nèi)尤為如此?！秷蟾妗吠瑫r指出，2019年，中國電動汽車保有量占全球47%，多個城市的公交車已接近或全部電動化;中國繼續(xù)引領(lǐng)公共充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，尤其是快速充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展處于國際領(lǐng)先位置。而這一切都得益于我國政策引導(dǎo)、技術(shù)引領(lǐng)、行業(yè)推動等多方面的驅(qū)動。

動力電池系統(tǒng)是動力電動化革命的核心技術(shù)之一。歐陽明高指出，經(jīng)過多年研發(fā)，中國鋰離子動力電池技術(shù)已躋身國際前列，其中，鋰離子動力電池能量密度提升了兩倍以上，成本降低80%以上，真正實現(xiàn)了鋰離子動力電池的革命。此外，燃料電池、混合電驅(qū)動系統(tǒng)等核心技術(shù)也取得了諸多進展。

“充電基礎(chǔ)設(shè)施是新能源汽車推廣應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。”中國電力企業(yè)聯(lián)合會標準化管理中心主任劉永東表示，我國完備的充電設(shè)施政策體系、充電設(shè)施標準體系已基本形成，并先后在直流充電、充電漫游、換電等領(lǐng)域取得重要突破，“中國聲音已經(jīng)成為國際標準的重要一方”。

不過，專家們也坦言，新能源汽車發(fā)展雖然態(tài)勢可喜，但問題依然嚴峻。

針對新能源汽車3大核心技術(shù)，歐陽明高提出3個科學(xué)問題，即動力電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的安全問題、燃料電池性能衰減導(dǎo)致的壽命問題，以及多能源混合動力系統(tǒng)燃燒導(dǎo)致的排放問題。

在充電基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，劉永東指出，單靠充電服務(wù)作為主要盈利收入的商業(yè)模式遠遠不能滿足當(dāng)前充電服務(wù)重資產(chǎn)特點下的充電服務(wù)市場需求。此外，車主充電體驗差、充電時間長、充電互聯(lián)互通不足等問題仍舊存在。充電和電網(wǎng)之間的配合并不十分成熟，特別是老舊小區(qū)，建充電樁依然困難。

動力電池是重中之重

“動力電池大多能滿足純電動汽車的要求，但大家比較關(guān)注的還是安全性。”歐陽明高說。

影響動力電池安全性的誘因是什么?如何提高安全性?在歐陽明高看來，動力電池?zé)崾Э鼐褪窃蛑弧Ｋ忉尩?，熱失控的誘因有很多，比如碰撞、短路、過充電、內(nèi)短路以及過熱等引發(fā)電池負反應(yīng)，甚至連鎖反應(yīng)，到一定程度時，溫度急劇上升引發(fā)熱失控。一個單體電池?zé)崾Э刂螅€會在整個電池模塊和電池系統(tǒng)中蔓延，最后造成燃燒事故。

歐陽明高團隊長期對熱失控的發(fā)生機理進行研究。他們發(fā)現(xiàn)，在不發(fā)生內(nèi)短路的情況下，電池仍會發(fā)生熱失控，采用新型電解液也會熱失控，同時正極是先失氧后釋氧。在此基礎(chǔ)上，他們開發(fā)了相應(yīng)的熱失控抑制技術(shù)和軟件，并應(yīng)用于多家企業(yè)的產(chǎn)品上。

燃料電池也是電動汽車的動力源之一，它利用氫氣和空氣中的氧在催化劑的作用下，在燃料電池中經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，從而驅(qū)動汽車前進。

“功率密度越來越高，耐久性越來越好，功率范圍越來越寬，專業(yè)分工越來越細，成本下降越來越快，產(chǎn)業(yè)鏈越來越完善。”清華大學(xué)教授李建秋用6個“越來越”指出了國內(nèi)燃料電池系統(tǒng)技術(shù)的快速進步。

李建秋表示，燃料電池主要用于商用車，目前國外有數(shù)百輛燃料電池客車正在進行示范，國內(nèi)的燃料電池重型卡車、輕型卡車也處于研發(fā)示范中。

在他看來，商用車對燃料電池的性能要求主要有5個方面，耐久性、環(huán)境適應(yīng)性、功率密度和總功率大小、系統(tǒng)的可靠性穩(wěn)定性以及成本和經(jīng)濟性。而且，各性能之間并不是獨立的，而是相互耦合和影響的。

比亞迪股份有限公司動力電池事業(yè)部副總經(jīng)理、研發(fā)總監(jiān)孫華軍則從企業(yè)研發(fā)的角度指出，電池系統(tǒng)的安全正在從被動安全到主動安全，從單體電池的安全逐步升級為系統(tǒng)安全。

被動安全即在電池失效后，有效降低事故危害。而主動安全則是在系統(tǒng)偏離正常狀態(tài)后且失效前主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)并預(yù)警，從而避免事故的發(fā)生。

“現(xiàn)階段，電池系統(tǒng)更多集中在被動安全設(shè)計上。隨著技術(shù)的發(fā)展，主動安全也將大量用于電池系統(tǒng)，從而大大提升系統(tǒng)的安全性。”孫華軍說。

未來發(fā)展融合三大革命

“新能源汽車是交通電動化的領(lǐng)頭羊。”歐陽明高指出，從動力電動化出發(fā)，持續(xù)推進高比能量電池與高比功率電驅(qū)動系統(tǒng)將帶來電動底盤平臺化，電動底盤平臺化與車身材料輕量化帶來車型多樣化和小型化，車型多樣化與個性化將促進新能源電動汽車普及化，新能源電動汽車普及化將帶動交通全面電動化。

新能源汽車未來將如何發(fā)展?歐陽明高表示，要從三大革命高度全面看新能源汽車。即動力電動化(電動車革命)、能源低碳化(新能源革命)和系統(tǒng)智能化(人工智能革命)。

一方面，動力電動化與能源低碳化結(jié)合，新能源汽車的規(guī)模推廣推動新能源革命。在歐陽明高看來，新能源革命的瓶頸之一是儲能技術(shù)，而儲能要靠電池、氫能、電動汽車等來解決，“對于短周期分布式小規(guī)模可再生能源儲存，以鋰離子電池為代表的動力電池是最佳選擇”。

另一方面，動力電動化與系統(tǒng)智能化結(jié)合形成交通能源互聯(lián)網(wǎng)，即以電動汽車為核心，把分布式光伏、智能電網(wǎng)、電池儲能從無序充電變?yōu)橛行虺潆?，最后達到車網(wǎng)互動。

“車網(wǎng)互動十分關(guān)鍵。”歐陽明高假設(shè)，“如果在2035年我國新能源汽車達1億輛，那么就有50億度電用于車上。如果全國轎車都改成電動轎車，那么我們會有150億度電的需求，相當(dāng)于現(xiàn)在全國每天消費的總電量，這完全可以平衡大規(guī)模風(fēng)光電等可再生能源，而無需煤電廠發(fā)電。”

“動力電動化、能源低碳化、交通智能化三大革命三位一體集成的新能源智能化電動車新時代，才是我們最終的目標。”歐陽明高強調(diào)說。