第12届中国汽车论坛于2022年11月8日至10日在上海嘉定举行。作为党的二十大召开后汽车行业的首场盛会,本次论坛以齐心协力稳步行动为基础 以蓄势新程为主题,共设置一闭门峰会 1个大会论坛 以汽车行业高质量发展为主线的16个主题论坛,与行业精英一起贯彻新精神,研究判断新形势,讨论新措施。其中,Xi交通大学电子科学与工程学院院长徐友龙教授在11月10日上午举行的主题论坛8:能源转型中汽车行业碳达峰上,通过视频发表精彩演讲。现场演讲实录如下:
早上好,专家们!我是西安交通大学的徐友龙。受会议组委会秘书长何毅的邀请,我将报告新能源汽车的现状和发展趋势。作为一名汽车专家,我在这里提出了一些观点,仅供您参考。
众所周知,2020年,西安交通大学获得教育部第一个储能科学与工程专业的批准。上周,王树国校长在接受中央电视台采访时提到,该专业是世界上第一个面向国家重大需求的储能专业。
在2021年储能科学与工程专业成立大会上,与共建单位签订合同,颁发专家证书。简单回顾一下这个过程,2020年1月,西安交通大学获国首个储能科学与工程专业,集交大电气A 、能动A 、电子A-、材料A-、化工等多学科优势。2021年,国家发改委获批国家储能技术产教融合创新平台,总经费4.3949亿元,同时获批三所高校排名第一。
2022年全面启动国家储能技术产教融合创新平台建设。我们将在热储能、电磁电化学储能、氢储能和储能系统四个领域工作。我负责电池和电化学储能的方向。
我的报告分为三个方面:
一、新能源汽车发展动态
众所周知,新能源汽车实际上是一种由电池和电机驱动的新能源汽车。因为它以电池为动力源,由电机驱动,效率高,实现了我们今天的零排放。主要涉及电池、电控、电机三大关键技术。
简单介绍一下新能源汽车的分类。纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。
1.纯电动汽车。也就是说。Battery Electric vehicle或Pure Electric vehicle,也就是说,电网直接给电车充电,电池驱动电机,电机驱动轮。特斯拉是代表性车型,特斯拉的整个系列都是纯电动的。以及日本的倾听和宝马i比亚迪、北汽、江淮、上汽等公司。
2.混合电动汽车HEV(Hybrid electric vehicle)。顾名思义,混合动力电动汽车是由油和电驱动的,但汽车只能加油。汽车启动时,汽车由电池驱动。当汽车速度达到一定速度时,切换到汽油内燃机驱动;制动和制动时,电机反转给电池充电,实现能量回收,大大节省了汽车。最典型的车型是丰田的普瑞斯、雷凌和卡罗拉。
混合电动汽车在中国得到了改进。比如说PHEV(Plug-in hybrid electric vehicle),它不仅可以加油,还可以直接给电网充电。这样,燃油发动机和电机可以同时驱动电池。当然,优点是双驱动,动力强,缺点是两个系统成本高,成本高。优点是可以通过电网直接充电。这辆车上下班基本上可以用电,里程不够的时候可以用燃油。比亚迪秦、唐、上汽荣威、奇瑞、三菱等典型代表。
后来,增程式电动汽车进一步发展EREV(Extended-Range electric vehicle),所谓的扩展范围相当于一辆配备小电池的纯电动汽车,加上油箱和小型内燃机。作为通勤工具,它是纯电动汽车。当里程不够时,内燃机给电池充电。因此,虽然只有一套电机驱动系统,但内燃机充电可以有效地延长里程。宝马是典型的代表i广汽传祺增程版GA5增程版。
三、燃料电池车FCV(Fuel cell vehicle),氢燃料的化学能转化为电能,提供驾驶所需的能量,并由电机驱动。相当于用燃料电池代替锂离子电池。典型的代表是日本丰田Mirai和本田Clarity。
新能源汽车发展的几条典型路线:
1.电池容量高。刚才提到使用高镍三元/富锂锰材料或硅碳负极,汽车续航里程超过1000公里。威来汽车和宁德时代的电池、广汽发布的海绵硅负极电池等都在促进电池能量密度的提高。
2.电池安全一直是一个不变的话题。汽车企业和电池企业从材料、电池芯、电池组结构、电池管理系统和监控系统等方面全面保障电池和汽车的安全。
3.电池结构设计也在变化。比如从1865到2170到今天的4680,4680最早是特斯拉推出的。他们被称为无极耳技术,我个人认为应该被称为全极耳技术。电池后面的黄色都是铜极耳,也就是负极的集中体,都并联在一起形成了全极耳。优点是大大降低电池内阻,提高电池能量密度和功率密度。
4.换电技术与充电技术齐头并进。换电的好处是速度快,缺点是如何更换不同型号、品牌和企业的电池?我个人认为,些细分行业换电比较好,比如城市公交、城市出租车,完全没问题。即使是长途公交车也可以,未来无非是在加油站换电站。但问题是,从其管理系统、电池使用状态、充电、换电等方面来看,除非你是自己品牌的电池,配备自己的车,不同的车型和品牌的电池都是问题。充电技术没有问题,但时间稍长,所以两者各有优势。
5.高压快速充电技术发展强劲。我们也希望解决时间长的问题。众所周知,原来的汽车电压是300-400V,现在提高到800V、900V,充电大约需要10分钟。
6.无线电池管理系统已成为未来的发展趋势。BMS系统可以是无线的,可以提高管理的可靠性、精度和精度PACK装配效率、降低成本等,都服务于电池的安全和成本。
7.动力电池回收将是电动汽车可持续发展的重要环节。电池使用这么多,必然会导致衰减甚至损坏。怎么处理?因为镍、钴、锂是附加值很高的材料,自然会回收。回收有几种方式:
(1)梯级使用。如果电池没有完全损坏,但容量下降到80%或50%,可以继续使用。为什么?G可使用通信基站或大规模储能。
(2)资源利用。如果完全坏了,我们可以利用资源。镍、钴、锂、铜、铝等电解质材料可回收利用,很多企业都投身其中。
二、动力电池的发展和技术要点
这里就不多说技术了们简单说说电池的工作原理。动力电池的正负极相当于锂离子的两个临时仓库,一个是楼上,一个是楼下,楼上是正极,楼下是负极。充电时,锂离子从楼上到楼下。放电时,锂离子从楼下回到楼上。这就是来回穿梭的过程。这个过程也被生动地称为摇椅机制。锂离子在正极和负极之间摇晃是非常有趣的。
电池的基本结构主要分为四类:
1.卷绕电池从原来的1865到2170,再到现在的4680。方形也从原来的几百毫安到现在的几百安。纽扣电池变化不大,但软包电池变化很大,从原来手机电池的几百毫安到今天的几百安。电池主要由正极、负极、隔膜、电解质和外壳组成。
材料系统也有很多种,左上角是正极,下面是负极。目前,电动汽车正极材料系统主要是三元和铁锂系统。负极是石墨碳和硅碳的负极。
在微观结构方面,电池材料要么是锂离子嵌入式结构,即锂离子嵌入材料晶格,这是一种方式。二是合金化。第三种金属氧化物负极的替代反应,如嵌入锂后的氧化铁,变成铁和氧化锂。
由于时间短,电池结构就不多说了。了解它的容量和成本,其他细节就不多说了。在电池和车身结构结构。以前锂离子电池是先做成电池的PACK,再做成大型Module现在已经开始放进车身;C2B,将电池直接融入车身。还有C2C或者C2P,C2C直接到车架上,减轻车身重量,增强车身结构强度。这是从电池到车身结构的变化。
此外,为了提高技术安全性,还有固态电池,这也在发展。钠离子电池作为储能电池更方便,作为磷酸铁锂的替代品,我认为它更大的好处是在电动自行车和其他小型车辆上。
刚才提到的材料体系,除了铁锂,三元也分为很多体系。如333、523、622、811、NCA等等。新型磷酸锰锂材料具有很好的安全性和较高的能量密度。一方面,它可以作为提高三元安全性的添加剂。另一方面,预计它也将成为一种动力电池材料。目前,缺点是其导电性相对较低,高电流充放电仍存在一些问题。
硅碳负极也有很多汽车企业和电池企业在推,这里就不细说了。电池材料需求激增,电池企业规模发展从原来开始MW级到GWh等级,现在甚至1000GWh级。你可以想象发展速度从原来的3开始C今天使用的电池和未来储能电池的发展不是百倍,而是千倍,万倍。可以说,没有一个行业发展这么快。幸运的是,中国走在国际前列,值得我们骄傲。
我们不会谈论电池的制造过程,各种制造过程,不同的环节。目前,动力电池有两种结构,一种是绕组,另一种是分层。例如,宁德时代的汽车电池,如280安时期的大型和方形绕组。
这是焊接极耳,最后是电解液灌注、封装、化成,最后是电池整个生产环节的示意图。
三、轮毂电机的发展及技术要点
虽然我是车外行,但我个人对轮毂电机技术非常乐观,因为只有轮毂电机技术才是未来汽车的真正电动汽车。为什么?因为现在的电动车,做车的人都知道,其实现在的汽油车把油箱扔掉换电池,把内燃机扔掉换电机。其他传动和转向系统完全相同,这些都消耗能量。如果能有轮毂电机,电池直接给电机供电,电机直接驱动轮子,既能驱动轮子,又能驱动轮子发电回收能源。这才是真正的电动汽车的未来。
今年3月,欧阳院士在电动汽车百人会上提出,轮毂电机是一项颠覆性技术和革命性变化。因此,我希望汽车朋友们更关心轮毂电机技术。
(如图所示)轮毂电机的分解,包括制动、发电、定子、转子等。如何有效地利用能量,直接驱动轮子向前移动,因此没有其他机械传动过程,因此轮子的能源效率非常高。不仅高,而且有几种驱动方法,我们自己去看看。
它有很多优点,传动结构简单,结构简单,空间大,效率高,能耗少。为什么电动汽车里程焦虑?若使用轮毂电机,能量利用效率提高了一倍,那么里程到1000公里就很方便了。驱动灵活,几乎可以转360度。我开玩笑说,女同志开车后不用担心停车倒库,只需横着车轮进去。这些都很好。此外,各种动能匹配,能耗低,系统简单,维护简单。
操控性,以后不用拿方向盘,拿遥控器就可以操控,云操控就可以了。制动性,未来要考虑其制动过程的能量回收,缺点是电机可能会发热,导致退磁。能量效率高后,发热少,温度低。更不用说传统汽车了,电动汽车100公里的耗电量在156度左右。如果使用轮毂电机,100公里的耗电量在10度以下,甚至78度的耗电量就足够了1000公里很简单。
让我们看看这辆车的操控性,所以我们开玩笑说,这辆车不仅可以直走、倒走,还可以水平行走。因此,未来汽车将更加灵活、自然化和高能效。这样,它就符合我们的双碳战略。
最后,你可能会关心轮毂电机的现状。目前,日本三菱、法国米其林和英国Protean-E研发甚至生产小功率电机。天津一汽还开发了几千瓦的小型电机。我刚才说的是一台电机的功率。我们可以用四个轮子驱动它。如果功率不够,我们可以用六个轮子。一般来说,效率大大提高,方法多种多样。
我认为汽车的未来一定是轮毂电机技术。作为一名汽车外行,我将在这里向您汇报。非常感谢。
(注:本文根据现场速记整理,未经演讲者审核)
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