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杨裕生院士:未来汽车与未来汽车能源之辩

时间:  2019-12-20 16:05  来源:  氢智会   作者:  Summer

以“未来汽车动力与能源之辩”为主题的2019上海电化学能源器件工程技术创新论坛于2019年12月15日在上海举办。论坛围绕当前新能源汽车产业发展中的热点话题,从先进动力电池、燃料电池、氢能制备与储运、到甲醇燃料及氢电混合动力系统各抒己见,为我国新能源汽车的发展献计献策,共同推动我国新能源汽车技术进步。

会上,中国工程院院士杨裕生发表了主题演讲,以下为演讲实录:

本来题目不是这个题目,接到这个会议正式的题目是《未来汽车与未来汽车能源之辩》,我跟着主题,把题目改了,未来,内容做了比较大的变化。本来想给欧阳明高同志在这里说一番,但是他没来,今天讨论的对象很多,看了以后觉得有很多可以交流,希望有不同的声音,大家可以各抒己见,把一些问题能够讨论的更透一些,越辩越明。

先讲四个问题,第一个是既安全又节能减排的车才有前途,第二个是要冷静评估燃料电池电动车的前景,今天燃料电池报告非常多,正好可以一起讨论。第三个节能减排的增程式电动汽车将大发展,第四是未来15年,汽车动力与能源发展的预测。

未来汽车,我说未来,说15年,说的再长说不清,15年也不一定能说清楚,现在正在制定到2030年中长期发展规划,需要大家提供见解,所以正好15年的长期规划应该说尽量具体一点。

汽车能源与汽车密不可分,所以同时讨论汽车,未来汽车应该是高安全性的,节能减排的,智能化的,网联化的,15年内汽车能源是多元的。高安全性、节能减排是汽车最本质的性能,最近几年,对于这两个问题,待会儿简单的说一说。要从汽车安全性、节能减排预测汽车能源,离开这两个根本问题,预测可能就不对了,有错误的引导。

第一个,既安全又节能减排的车才有前途。Tesla纯电动车2017年前烧了十几辆,2018年少了11辆。今年2、3、4、5、7、8月无故自燃,也是一个月一辆。我们国家不完全统计,2017年烧了103辆,2018年据说是烧了51车辆实际上远远超过这个数字。这些车当中90%以上是用三元锂电池的纯电动乘用车,其中今年4月21日以后的一个月内烧了11辆。三元锂电池火势蔓延太猛,车里的人来不及逃生,车外的人来不及救援,烧死好几个人。三元锂电池引发了长历程电动车频频燃烧,历程长要求多装电池,比能量又要高,所以安全性下降了。

长里程纯电动车,不节能减排。这个图是一个纯电动车的简单的电路图,可以说很简单,就是过去讲的电瓶车,原理实际上是一样的个。不同的是现在电池改成锂离子电池,在电网的电能主要来自于燃煤的情况下地长历程纯电动车耗电高不能够减少排放。

Tesla车不用油,在新加坡受罚,就是因为追求长历程而多装电池,车重,耗电多,而发电时大量排放恩CO2等有害物质,所以罚款了,因为发电的时候排量排放有害物。

另外电池生产链耗能很高,废电池处置也很能耗,都有排放。所以历程越长的纯电动车,越是背离电动车的节能减排宗旨。

清华大学还有其他一些单位,在专门的课题在研究各种电动车节能减排的情况,他们的结果充分说明了这个问题。

过高的补贴,驱使长历程纯电动车走成一条不安全、不节能、不减排路线,还带动高危险性电池兴起。补贴即将停止,纯电动汽车将市场化发展,必须少用电池,提高安全性,节能减排,降低车价。而不是追求长历程纯电动,多装电池、浪费能源,增加排放,加大废电池处置量,更不应该急速提高电池比能量、增加危险性。少用电池的微小型纯电动车真节能减排,还安全性高。未来的纯电动汽车电池的发展,势必要随之而调整,补贴还有一年,现在已经看到这个苗头。

第二个问题,要冷静评估燃料电池电动车的前景。燃料电池用氢做能源,氢无矿藏,要解决的问题多,有同志跟我说,水就是氢的矿场,实际上这个话也对,但是水不能当氢能源,所以这句话是迷惑人。

要解决的问题,第一是高能效、低排放制氢,现在有一种做法,通过电解水制氢,再用氢去发电,这就是燃料电池,这样是一条路,用的是所谓的副产氢。但是副产氢非常有限。第二个是氢的安全运输、分布、存储,这个也是一个问题,这方面需要投资搞好都很大。第三是燃料电池寿命不够长!价格高,它的制作耗能很多。第四个是膜、纸、泵、罐等技术还有差距,国产化还没有做好。第五是铂资源太少,要研究无铂催化剂,世界难题,我们国家产生铂一年是4吨,全部拿来做电池,也就是几十万辆。现在进口一年要40多吨,拿来做燃料电池的量并不多。

要长期奋斗才能解决不节能、不减排、不便宜的“三不问题”。政府尤其需要考虑三个问题,第一是高补贴煽起进口电池和部件装车热,有何益?第二是演义地点规模要合适,要防止少数人烧虚火,第三是切实判断与日本国情的差别,防日落陷井。

我最近在《中国科学报》发表一篇文章《获取氢能并那么轻巧》。提纲说一说,第一是氢能的获取有限度、难度,并不是那么轻巧。原料氢气是不少,但不是规模能源。搞氢能的人总是把我们全国一年产生多少氢拿来作为氢能源的来源,这个是错误的一种认定,原料就是原料,化工原料不能作为燃料,否则的话化工厂就停了。氢能利用要讲究效率和经济效益,我国输氢远不及输电合理,有些人说,用300地区电解氢,送到用氢的东南沿海地区,比输电困难的多,代价要高得多。利用副产氢难度不小,特别是讲到有些副产氢一氧化碳含量是百分之十几、二十几,我们的标准是0.2个PGM,这个耗能非常高,代价很大。最后一个小标题是氢能是终极能源这样的命题是不成立的。真正清洁而又经济可用的氢能并不丰富,与几亿辆汽车所需的能源相比,只是个零头而已。有些人设想,未来燃料电池电动车会占汽车的20%—30%,按我乐观一点的估计,不会超过5%。这个是我这篇文章的提纲。所以未来燃料电池不会那么兴旺,5%,这个是我的估计。

第三个节能减排增程式电动车将要大发展。这个是第二代增程式的图,刚才说的红色的部分,是纯电动车,在车上加了一个发电系统,那么发电系统我们叫它增程式,这样组成一个增程式电动车。

第二代电力系统经过优化,首先发动机排量减少,大概只有相同车子的排量的一半左右,第二个是发动机能效优化,第三个是电池少,降低成本,第四是车子轻,更加节能。

电池组不会过充过放,寿命延长,安全性高,第二是磷酸铁锂电池比能量合用,安全性更提高,电池少补贴退坡,取消的影响小,易推销,增程式行驶比燃油车节油50%以上,大为省钱,可以不外充电,免建充电桩,且能行远距离,有充电条件城市百公里内节油率大于80%,厦门大学田院士他的计算节油90%以上,我是比较保守,我说大于80%。燃油车生产及加油设施全集成,便于发展。没有历程、安全、充电、价格、电池五大焦虑,这个是纯电动车的五个困扰的问题。

增程式车现在没有充分发展的原因做了分析。第一是纯电动车的补贴过高,把注意力吸引过来。第二是增程式难度比纯电动车、插电式大,这样进展就慢了。第三个是863增程式项目支持强度很低,一个单位给了1000万,1000万叫做企业配套,要想发展一个新品种,太少太少,比起燃料电池电动车,那是一个零头,所以到现在,这个技术还没有很好的成熟。

但是有些单位进展比较快,尤其是最近两三年,现在科技部已经把增程式列入到“三纵”发改委把它列为电动车乏味,插电式为燃油车范围,这个是今年1月份一个文件里这么划分的。现在补贴即将停止,市场主导下,增程式将大发展,因为没有补贴了,大家都要来靠硬本事来比拼了。

与增程式节油水平相当的还有油电混合动力车,也叫深混和全混,以日本丰田(英文)为代表。两者不同出,增程式是车上发的电与电池并联供给电动机,深混式燃油动力与电动动力在行星齿轮箱混合,两者相同处是都在车上用燃料发电,给电池充电,都是通过电控优化组合,达到节能,这两种车子节能水平差不多,现在大概都在50%左右。

插电式就不一样,虽然插电式也叫做混合动力,实际上它是先用电后用油,没有优化组合,没有动力混合,所以叫它混合动力,这个是错误的。所以它不节能,而且是费能,因为有两套系统,全都能独立工作,所以车子很重,今天就不详细讲了。

下面是对增程式节能减排的分析,强调增程式电动车50%的节能,有不同的声音。一个声音是增程式节油50%以上不可能。那么这是一个世纪测量的结果,但是有人就是不相信,他们的论点是,内燃机发出的龙料经过机械能到电能再到电能到机械能两次转换,效率大打折扣。这个大字是有问题的。

节油50%的四要素:

第一是增程式车上内燃机的排量见效一半,所以少,第二内燃机调节在最节能的功率工况,所以效率高。第三是普通的汽车在红灯停车的时候,内燃机效率是零,堵车的时候,效率很低,在实际测量中都不会发生。第四个是耗油能够回收制动发的电能,这个是燃油车所没有的。那么这四大要素综合起来之后,节能远远超过50%。

刚才说了,有两次能量转化,是要消耗一些能量的。但是这个转化的消耗,是一个零头,并不大,因为现在的DCIC变化,充电效率都很高,都是90%以上。而且任何电动车没有点,都要经过两次转换,发电厂发的电到车上,至少也是两次转换,只是场所有别而已,何况在车上德转换线路短,效率高。

第二个是燃料电池电动车不是增程式的一种吗?燃料电池的功率响应慢,不满足车速变化的需求,必须由储能电池供电,实际上燃料电池只是起了一个发电的作用。我们在北京奥运会燃料电池,实际上,是把锂离子电池加上去,加到燃料电池车上,从那个时候开始,所有燃料电池不能直接开车,都要有一个储能电池来调节。

这是一个燃料电池的电路图,黄颜色是相当于在纯电动车上加了一个燃料电池发电,所以燃料电池增程。可以和内燃机增程比比,线路完全一样,燃料电池只是增程器的一种,作为增程器来说,很南,现在发展的非常成熟,所以不要看的太重,我在这里给燃料电池降降温。如果电动汽车有所谓永久性动力,那就是增程器,包括燃料电池在内。

第三个是增程式还是要烧油,不是最终目标。要提前注意两个问题,第一,如果我国汽车的友好降到一半以下,每年节油2亿吨,环境改善,能源安全提高,我国由汽车大国向汽车强国迈进一大步,这样全国人民都会很高兴。第二是纯电动车电池多,车重,耗电多,充电不便,未必是最终目标,现在都把纯电动车作为最终目标,我认为这是不对的。Lesla在新加坡受罚这个是过去的事情,以后纯电动车也不能说是节能减排,即使是所谓电池达标也不可能达到这个目标。

要衡量全过程节能减排,而不是路上开车的那一段,现在看起来,把发动机和电池配合这样的效果最佳。未来增程式的发动机可以不烧油,不增加二氧化碳的排放,所有的能量全部从太阳能来,太阳能发电,通过秸秆、甜高粱等等,作为究竟,给发动机发电,这样给增程式提供全部能量。乙醇在内燃机上使用,在巴西,有一半的汽车燃料是甘蔗过来的乙醇。所以增程式不是向纯电动汽车的过渡,而是未来汽车的主力。

第四个是未来15年汽车动力与能源发展的预测。一个是新产改进的燃油车会继续产销,不是说燃油车马上就要禁止或者是停售。第二是内燃机热效率要提至45%,汽油压燃热效率提升至52%,现在汽车也在做压燃技术,现在已经超过50%,估计15年还会进一步提高,这是一个很高的效率,都比燃料电池小。

微混车节油15%,现在国外很推崇这样的车,结合高效的内燃机有一定的市场。

多种燃料逐步替代石油产品,二氧化碳排放大大减少,微型短程纯电动车与节能减排意识加强与时俱进,增程式与深混车未来可能达到50%。

这里介绍几家公司的微型启动机核心技术有三个,15kw的微燃机只有40公斤的重量,价格现在也不得不降低,这个是45kw的只有115公斤,比现在的微燃机重量要低得多。

未来15年动力电池技术的发展。第一个是磷酸铁锂电池优势突出,将是助理。第二,微小型电动车和增程式车已合用,要再提高寿命,第二是锰酸锂电池要提高比能量和寿命,可混入三元材料,但是加多了会增加危险性,地三三元锂电池提高安全性才有前途,混进锰酸锂提高安全性,这两者可能最后走向融合。第四是全固态电池的实用,要准备打持久战,要降低调门,把“全”字去掉,少加点液体,或搞聚合类电池。

锂电池改进负极,可有安全性、高能量,长寿命。第六是发展吸纳制动能量的新型电池,节油15%。传统燃油车改轻混,美国能源不提出来的是35C充电能力,因为电池只有0.4度电左右。第三代增程式电动汽车,要求5—8C充电能力,电动车少装电池,要10C充电能力。我们设想,石墨负极难快充,钛酸锂电可以快速但是价格高能量低,所有提出这个设想,有四个材料组合来发展高安全性的电容电池,调节这四种材料的比例或电极可以得到不同充放电倍率的动力电池。

最后想讲一下,一个是内燃机汽车将继续产销,燃料多元化,微混化节能;内燃机热效率不断提高,也是高水平增程器的核心部件。内燃机或者是发动机技术要提高,而不是要消亡,故意传统两个字,没有和任何电池组合的传统的燃油车,有可能禁售,发展高效率发动机这个是必须。

第二电动汽车要用高安全性电池,少用电池,少生产废电池。

第三个是提高电动汽车安全性、坚持节能减排宗旨,有四条做法:第1,双积分与节能减排挂钩,而不与纯电动历程挂钩,这个是希望工信部要改变的。第2是发展增程式技术,可应用于各种电动车上,包括大卡车,燃料电池去替代内燃机大卡车未必是一个好办法。第3是纯电动乘用车微小型化,不追求超长历程,第4是发展磷酸铁锂电池提高速率,谢谢大家。
 



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