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欧阳明高全球天然气能源供应将会超过石油

2018-09-17 23:36:53 作者: 0人读过 | 我要赞

欧阳明高:全球天然气能源供应将会超过石油

由中国汽车技术研究中心、电动汽车科技发展”十二五”重点专项总体组、电动汽车产业技术创新联盟、中国汽车工程学会主办的2013电动汽车科技创新国际论坛于2013年10月日在北京香格里拉饭店举行,论坛主题为”从示范运行走向商业市场”。本届论坛将展示我国电动汽车研发成果,宣示电动汽车产业技术发展的方略,重点探讨纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的应用。

全国政协常委/清华大学教授欧阳明高先生表示,想简单介绍一下中国电动汽车的发展战略和技术进展,谈三个问题:第一,关于技术战略,中国汽车产业飞速发展从09年开始已经是世界第一大汽车生产国,但我们面临石油供应的严峻挑战,现在是57%,到2030年会大于70%,从中国生产常规油气资源和非常规油气资源上,我们的石油基本是2亿吨,气有快速增长,到2030年,中国气大概是3亿吨,超过石油1亿吨。去年今年以来天然气商用车发展非常迅猛,从全球来看美国在进行天然气革命,全球天然气能源将会超过石油。第二个挑战就是城市空气污染和交通拥挤;第三个挑战是二氧化碳。现在中国机动车二氧化碳只占5%点几,欧洲是20%,美国超过30%,我想中国也会达到这样的程度,今年IPCC第二次评估报告马上要发布,我也参与了这个报告的编制,从总的情况来看,气侯变化应该还是非常可能的。 面临这些挑战,中国汽车交通能源发展的总体战略,第一就是优化现有的能源动力系统,发展新能源汽车,另外一个就是开发新能源汽车,一个叫”过渡战略”,一个叫”转型战略”,双重战略来达到中国汽车交通能源可持续的目标。

以下是欧阳明高先生发言实录:

各位领导、各位同行,大家上午好!

我想简单介绍一下中国电动汽车的发展战略和技术进展,但也不想全面展开,我想谈三个问题:

第一,关于技术战略,大家知道,中国汽车产业飞速发展,我们从09年开始已经是世界第一大汽车生产国,这是美国、中国、日本的比较,但我们面临石油供应的严峻挑战,因为石油供应现状和未来趋势,现在是57%,到2030年会大于70%,从中国生产常规油气资源和非常规油气资源上大家可以看到,我们的石油基本是2亿吨,不会有大的变化,气倒是有快速增长,到2030年,中国气的当量大概是3亿吨

欧阳明高全球天然气能源供应将会超过石油

,超过石油1亿吨,2020年气和油差不多基本是一样的,到2030年气更大,所以气的增长还是很快的。

大家看到去年今年以来天然气商用车发展非常迅猛,从全球来看也是这样,因为美国天然气革命,很快,全球天然气能源将会超过石油。

我们的第二个挑战就是城市空气污染和交通拥挤;

第三个挑战是二氧化碳。当然,现在中国机动车二氧化碳只占5%点几,但会迅猛增长,现在欧洲是20%几,美国也是超过30%,我想中国也会达到这样的程度,今年IPCC第二次评估报告马上要发布,我也参与了这个报告的编制,从总的情况来看,气侯变化应该还是非常可能的,不能说绝对,但百分之九十几的可能是有的。

面临这些挑战,中国汽车交通能源发展的总体战略,第一就是优化现有的能源动力系统,发展新能源汽车,另外一个就是开发新能源汽车,一个叫”过渡战略”,一个叫”转型战略”,双重战略来达到中国汽车交通能源可持续的目标。

为了实现这个战略我们有三条路径:第一条就是液体燃料,内燃机,然后是混合动力,内燃机还有很大的节能潜力,我们最近做天然气双燃料发动机,有效效率已经达到了48%,还是很有潜力的;

另一条是气体燃料,现在是天然气,将来是氢气。大家知道总理推荐过一本《第三次工业革命》的书,那里面的支柱之一就是氢气,分布式能源,可再生能源必须要有一个储存载体,氢电互换。

燃料电池仍然是一条路径,但未来电池要开发锂空气电池、金属空气电池,其实已经和燃料电池非常相似了。

第三条路径就是电,电池动力系统,从微型电动车到像Tesla这样的全功能豪华电动车,还有宝马最近推出的一系列非常有竞争力的产品,已经给我们展示了这些。

这是中国由万钢部长在2001年提出的”三纵三横”,三条路径最后都是到了混合动力电动车、燃料电池电动车和纯电动车,这三条路径是我们一直坚持的,下面我分述一下这三条路径:

第一,关于混合动力,我们认为混合动力需要通过模块化来促进电动化,我们从先进的内燃机到混合动力发动机,再到插电式混合动力,这是我们的基础,我们希望绕过中国不太擅长的方面,真正走出一条适合中国自己的混合动力技术路线。这些年来我们进行了很多探索,在今天至少我个人对技术路线,应该说最近我也有一些新的认识,我认为这些路径基本上清晰了,我要给大家重点介绍的就是在商用车大客车的研究开发中开发出了一个不用自动变速箱的混联式系统,这个系统在低速时是纯电动,在中间很大一块是混合动力,以串联混合为主,但也可以并联,在高速时发动机可以直接驱动车辆,它不需要变速箱,只有一个离合器,甚至只要一个离合器就可以,发动机和第一个IS电机之间可以不要离合器就可以发电,这是一个大的系统,我认为在所有混合动力中,这是其中一个很有战略意义的构型。

大家知道,中国的混合动力轿车一直没有得到很大突破,探索了很多技术路线,但到今天为止我们一直被普锐斯的新型直能排(音)阻挡,全世界都有这个问题,通用开发的也是在AT的基础上加了四个离合器,中国在自动变速箱方面一直是弱项,当然现在我们也开发出了很多商用车中带自动变速箱的系统,包括填充新的系统,都是很值得赞赏的。

但从商用车到轿车能够形成统一平台,我认为这个系统是非常有战略意义的,大家可以关注一下最近2014年版本田雅阁的混合动力,它的油耗已经低于普锐斯,但它没有使用任何新型排(音),它的构型和这个构型基本上是一样的,从工作模式也基本一样,当然,它需要发动机本身、电机本身非常好的、精确的控制技术,但它回避了所有其它的,离合器只有一个,但这个系统不存在专利,因为我们在商用车领域,这个构型是中国做出来的,现在在公交车中至少应用了5000辆以上,这是中国自己做出来的系统,这就是现在在商用车上的系统,大家可以看一下,不需要变速器。

(图示)这是某电动品牌做出来的一个整体式的,不需要变速器,直驱的,节油效果也是相当好,当然还有很大的改进空间。

我想再提一下比亚迪,比亚迪在中国电动汽车创新中应该说是一个非常突出的企业,他们认真执着地进行技术创新,最近推出了插电式混合动力擎,我认为具有标志性,无论在动力系统、整车还是各个方面,应该说是当今中国代表性的插电式混合动力汽车。

第二个是关于燃料电池汽车,刚才也有很多讨论,我们10月31日在上海还有一个中国燃料电池汽车研讨会,在这里我就不详细讲了,我只是说,燃料电池的技术路线应该是平台化,燃料电池是非常综合的平台,包括燃气汽车的动力平台,混合动力汽车的动力平台,然后也可以作为一个里程延长器,还有纯电动的底盘平台,实际上它包含了三种车,所以它是一个非常复杂的系统,我要说的是,现在国际上燃料电池的技术基本已经突破,只是基础设施如何扩张的问题,中国在大车燃料电池和轿车燃料电池上进行了一系列创新,我想提到的是平台化,大车的平台化,燃油的、燃气的,燃料电池的,共享平台,这是我们中国自己做出来的。通用有个eflax(音)平台,我们这个平台其实比通用的要早。

另外是轿车,所谓的平台化战略,在燃料轿车方面,同济大学是国内技术领先的,现在逐步的,上汽加入了进来,产业投资之后情况正在进一步向产业化方向发展。

第三是纯电动车,我们仍然对大众型轿车主张小型化,当然,Tesla是卖给不怕贵的人,也有怕贵的,也有性价比都需要的,Tesla或宝马也更多是卖给富人的,比较贵,这的确是个很好的战略,因为它把纯电动车的优势(驾驶乐趣高、高速性)充分地展示出来,同时又能摊销电池带来的成本,这是一个非常好的战略。但我们也要看到,中国的情况,刚才宝马公司说得很好,中国只有千人60辆车,我们要过渡到欧洲的600辆车,美国800辆车,很多新技术我们需要用电动化来取代,这种情况就需要大众化,中国在纯电动车方面,我认为最有代表性的是小型电动轿车,这是国内的技术路线,大概是什么参数呢?这里列了,最有代表性的是江淮,每小时一百公里最高车速,锂离子电池,18个千瓦时的电池组,另外50个千瓦最高电机功率,这是一个基本参数,很适合中国的国情,现在国内很多厂家都在做这个,另外就是在此基础上的里程延长式电动车,我也开过一些国内的汽车,比如江淮的里程延长式电动车,我认为做得不比某些外国公司的差,从操控性和驾驶感受来看,所以还是值得我们大力推行的,这中间主要是用汽油机做增程器,在当前中国的条件下可能还是汽油机的增程器比较合理。

前面就大致讲这些,下面我也想说一下具体的技术,下一个五年,我们叫”三纵三横,三大平台”,加了”三大平台”,这中间我们的核心还是要建立动力系统的技术平台,我们要集全行业之力建立动力技术平台,我想动力技术平台最核心的部件还是发动机、电池,当然包括燃料电池,还有电力驱动系统,我再强调一遍,发动机本身的技术创新仍然还是非常非常重要,还要补课。当然,如果我们只挑一项技术来说什么最重要,个人认为还是电池系统及其充电设施,在当前条件下,如果不说两样,只说一样,我认为还是电池技术及充电设施,我翻了这次论坛的论文,大概80%是跟电池相关的,说明大家有共识,所以今天我也想主要讲讲电池,结合我自己和我学生一块儿的研究体会说说电池。

我认为说电池有三个纬度:

第一个纬度是材料科学和电化学的纬度,2010年是100瓦时每公斤,地下是几种电池,铜酸锂、磷酸铁锂、石墨锡、碳酸锂,我们的目标,2015年要达到250瓦时每公斤,这是可实现的,我们的磷酸铁锂还在继续创新,通过纳米化(音),掺杂石墨锡(音),非常好的,还有一个是三元(音),但目前来说三元的安全性还有问题,但现在的三元国内也在攻,一些大期公司,比如ATR,攻的都是在30安时以内,三元现在还不太能做,现在都是在再往前走可能是锂硫、锂空气、锂金属。

第二个纬度,我们一到电池那边都说电化科学、材料科学,但光有电化科学、材料科学,不是完整的车用电池动力系统,我们还要有设计、制造和电池管理的技术,如何从单体到系统,单体--模块--系统,三个层次,现在我们有三条路:第一条,Tesla的路,从18650到整车,系统集成度要非常高,我认为这条路非常好,因为它有最成熟的电池,安全性也更好,它做的比能量(音)的电池是大电池做不到的,安全性靠系统保障,同时它一个电池不安全并不会妨碍整个系统,所以它做是非常好的路线,成品率非常高,价格非常低,现在Tesla用的电池可以做到一个瓦时一块多钱;第二条路就是电动自行车的电池,北京马上要开始所有的电动自行车只能用锂电池,这对电动汽车来讲是个非常好的基础,锂电池电池,12瓦时电池,对我们小型电动车、微型电动车非常合适,它的价格,韩国的已经到一块钱一个瓦时,国内的成本可以到一块钱一个瓦时,但其它的方面还要进一步,锰酸锂电池,电动自行车电池一块钱是今后两三年一定要达到的;第三条路,主要是大安时磷酸铁锂电池,它的安全性比较好。所以三元主要是小电池,1860到30万千瓦,第二个是锂电池,但它的高温寿命有些问题,但微型电动车应该没问题,因为家用里程跑得很短,不是太大。

第三个纬度就是充电基础设施的纬度,我也把它归到电池里,我在里面说了,整个的规划叫”点线面”,我只想强调一点,达成共识的是基于220伏交流慢充的充电桩基础设施,它可以满足小型电动车,18千瓦时,20千瓦时以内的,插电式电动车,也是在20千瓦时以内,而里程延长式电动车也在20千瓦时以内,所以这三种车都可以用交流慢充充电桩,而且充电桩现在很贵,实际应该可以降到1000块钱以内,我记得他们说德国是99欧元,你买个车,汽车公司给你发个盒子,你回到家,往220伏一插就可以了,这是中国现在可以普及,而且容易普及,而且必须普及的基础设施,它跟将来的快充等其它都不矛盾,而且可以市场化,这是关于三个纬度。

下面我说一下现在的成就,我们的电池产业应该说还是不错的,产能、产量世界最大,当然,企业掺杂不齐,但我想主要还是要通过市场化的手段来优胜劣汰,另外,我们的单体电池盒这些比较来看,总体上单体电池还是不错,至少现在我们很多电池厂是跟国外厂家供货的,包括宝马,当然不是全都用中国供货,但至少它选择了中国厂家供货,所以核心的问题还是系统集成,所以当前要解决的最重要的问题是系统集成,所以整车厂责无旁贷,必须作出努力,不能把一切都推到电池厂身上。

我来说三个系统问题:安全性、耐久性、一致性,这是我们当前面临的三个系统集成的问题,下面我就说一下这三个问题:

第一,安全性,这是一个热失控的过程,这是电化学的整个过程,从SEI模到整个反应过程,怎么传播,到单体,这边是成组。第一个着了之后,它会传播。下面有一个实验,这是我们在宝马支持下跟天汽中心(音)合作的成果,上面是温度,外车温度、里车温度差别很大,底下是电压,看到第一个着了之后,温度上升到一定程度电压下调,第一个着了;470秒之后第二个,160秒又第三个,一个一个走,这是我们针对这个事情建模,然后对温度场进行重构,从整个温度场,中间红的最高,这样我们就可以把所有的曲线做出来,这是我们做了实验之后一系列的过程,温度、压力变化的规律以及温度变化率的规律和它内组在整个过程中的变化规律,有了这些变化规律我们就可以对安全性进行监控,我们叫”SOS”,就是安全状态的监控。

第二个问题是一致性,绿点是单体电池,红点就是由单体电池组成的模块容量,底下是容量,上面是SOC,底下是每个单体的容量,红点是整个模块的容量,大家看到,整个模块容量大大小于单体容量,后来在出发过程中SOC的不一致性,导致整组容量不一致,我们单体150瓦每公斤,结果成组,能用100瓦时每公斤就很好,现在都是这样。

随着电池变化多少个循环,这是循环,这是成组容量,它衰减的比单体衰减得快,刚开始还可以,但后来衰减就很快了,这是由于单体的不一致性变大,导致SOC不一样之后,所以这个容量是可以通过均衡来解决的,这就是电池的均衡。均衡就是要到绿区域之内,什么意思呢?就是要让这个红点的容量最大,它能达到多大呢?也就能达到单体中间的最小空间,这就是我们做的,要实施均衡就必须估计所有单体的容量,这是我们做的估计方法,实际上同一批电池,当你的设计参数一样,它的充电曲线应该是一致的,不一致就是因为容量的差异,SOC的差异和梅组(音)的差异,这可以通过充电曲线的上下移动,平移和缩放就可以找到参数的差异,让它重合,找到每个电池的参数在哪,由三个问题转化成两个问题,利用优化方法就可以最终找到所有参数,所有电池就可以通过充电曲线把它的容量,所有单体电池SOC全部出来,最后成组容量出来。在这个基础上,由于我们知道了所有的单体,我们就可以进行基于容量的均衡,大家知道,现在我们有基于电压的均衡,基于SOC的均衡,实际上最理想的应该是基于容量的,但基于容量均衡要做的话,刚才的三维还是计算量比较大,所以再把二维变成一维,变成一维当然就会产生误差,这个误差可以由闭环来解决,这是容量差异,均衡之后,理论上和实际做到的,差别不是很大。

现在有各种各样的均衡方法,我们认为这就是均衡不一致性产生的容量损失,当然,也有耐久性产生容量损失,这是我们用一般的能耗式均衡可以达到的均衡效果,这是用主动式均衡达到的均衡效果,其实这两者之间差别不是很大,而能耗式均衡可以用很小的电来实现,我们认为能耗式均衡就足够了,这个问题大家可以再深入研究,在这方面,由于现在电子厂家出厂的容量均匀性一般都在1%以内,所以我们认为在这样一个误差范围内能耗均衡已经足够了。

第三个问题就是耐久性,所谓耐久性我们也叫健康状态,初始的,到后面慢慢衰减,衰减有各种各样的原因,这就是我们测量的各种各样电池的衰减,是什么原理呢?衰减的原理,电化专家做了很多很多研究,但它无法再不拆电池的情况下知道衰减是什么引起的,必须拆开才能知道,这是充放电过程中,这是正极的平衡电池,这是负极的平衡电池,这是综合的端电压,综合曲线端电压,这是石墨负极经过三个相变,正极磷酸铁锂经过一个相变,中间形成的。

我们应该用什么办法做到这一点呢?通过参数估计,因为在车上不可能通过拆电池知道你的电池损伤情况怎么样,你只能不拆,然后进行估计,这就是估计的模型和方法,我们通过看正负极平衡电池的差别就可以估出来是什么原因,主要是这样,可用锂离子的损失和负极容量的损失,这是实验的曲线,这是我们估计的曲线,这是负极平衡电池、正极平衡电池以及我们总的电压,随着循环次数的加大,之间的差别越来越大,损失越来越大,对应的底下的图就是这样。

另外一个就是建立动力电池的耐久性模型,这是我们的模型参数,各种不同电池最后的模型,有了这个模型我们就可以进行的SOC,容量衰减的估计,当然这个估计模型肯定是有误差的,怎么办?通过定期离线停车之后自动矫正就可以了,根据我们前面用到的充电曲线的测量方法配合这个就可以得到,最后就会收敛得非常好。

最后我的目的,耐久性最后是要通过充电来延长电池的寿命,这是充电控制成本,现在电池本质上来讲,我们在车上用的时候是不能进行主动控制的,因为它是自由放电,我们只有在充电过程中能够控制电池,比如说耐久性控制可以基于SCI模的生长模型进行优化控制,这方面还正在做,我们也希望大家来共同探讨这个问题。

在此基础上我们可以看到整个电池管理系统,SOC的估计、SOH的估计,温度的估计,相互之间是吻合的,最后是功率输出状态的估计,从单体到成组,最后得到功率最大输出,这就是整个电池管理的估计。

在车上电池管理的算法我就不详细介绍了,SOC估计算法有很多。

电池一个方面是估计问题,还有一个方面是与则问题,比如剩余里程究竟是多少,这是要预测,不是估计的,估计是对现有状态,预测是对未来状态,这个车究竟还能行多远,这是一个预测问题,所以我们必须利用模型来进行预测,比如单电压,比如表面温度,是这样预测的,功率、SOC、电压模型、热模型,都要进行预测。

预测总是有误差的,最后需要矫正,矫正,这个问题我们也在进行之中,希望大家能一块儿朝这个方向进行努力,因为现在电池剩余里程还很难估计,涉及到很多问题。

好了,最后我做一下总结,从汽车的角度来看电池,我们认为这就是汽车的循环功放,在车上表现出来的放电背理(音),放电背理的大小在电池里代表了电池颗粒的锂离子浓度和它的电池,放电背理大小这就是功能状态,这是一个高频特性,SOC是中频特性,SOH是很多个循环,是低频特性,对应的颗粒里头的电化学特性,电池,正负极之间的关系,这是把电池当成一个系统,电池不是一个材料,是一个系统;第二,电池管理系统是一个汽车电子装置,应该用汽车电子的标准来开发电池管理系统,不能用常规的(类比),那都是不一样的,必须按照汽车电子的标准,所有的软件自动、代码生成,也要在我们汽车电池的系统方面做革新;第三,汽车电池的Pack是一个汽车的动力系统,我们必须这样看它,就像发动机一样,发电机电伏系统有几千个参数,标地,现在电池也要标地,也要几千个参数进行标地,这是和以前电池概念不一样的地方。

第三点我做小结:首先,我们的目标是要建立一个综合的一体化的电动汽车平台,从模块到纯电动车,到ISG,我们叫中混,最后到深混,混联,带离合器的,不带离合器的,我们希望取消电池系统,最后是能源的多元化,刚才说的,燃料电池的平台;还有一个,交流慢充基础设施的一体化,我们认为这在现在非常重要。

从车型的角度,我们曾经提出过”两头紧”,大客车和小型电动车逐步向中级主流轿车方向发展,现在我们的大客车发展得不错,这是大客车到今年5月份的统计,已经快到2.3万辆了,市场占有率也接近50%,在世界上是第一的,这说明我们在这方面已经很不错了,轿车跟国际比有相当的差距,怎么办?我觉得我们还有一个两头紧,高端、低端向中级主流轿车,经济型的电动车和高端的电动车,高端的卖给不怕贵的,就是今天的Tesla、宝马,但还有一些是特别怕贵的,特别怕贵的电动车也有优势,因为它不烧油,电瓶,我并不是主张低技术的电动车,经济型电动车,比方说锂电池电动车现在也可以做到6万块钱,并不是不能做,中间主流市场是最难的,既要品牌,要性能,又要便宜,这是最难做的,这中间应该是插电式混合动力车,将来燃料电池车是要加入的,这是中国汽车驾驶的特征,我们用GPS做了上千个用户,发放用户自己去测,整个GPS全部记录下来,今年测到北京平均是34.9公里,80%的人在50公里以内,2005年时还是44公里,上海2008年39公里,美国2009年,52公里,我们比得多,所以中国是适合使用电气化车辆的。

最后我用一张片子,这是中国电动交通已经取得的成就,我们把中国的交通体系叫做”点线面模型”,所谓”点”就是大城市或大城市群,北京、天津是一个点,上海、杭州、南京是一个点,在大城市和大城市,公交,我们的新能源客车已经是世界第一了,在城市间,我们的高速铁路是世界第一,在广大中小农村和城镇,我们的电动自行车是世界第一,我们已经取得了电气化交通很大的成就,我想下一步应该是我们汽车人电动汽车来创造下一个奇迹。

谢谢各位。

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