欧阳明高院士：能源革命背景下，新能源汽车路在何方？
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导读
2009到2019的10年间，中国新能源汽车产业从无到有，年产量从0发展到127万辆，保有量从0提升到261万辆，均占全球的53%以上，居世界第一位；锂离子动力电池能量密度提升两倍以上，成本降低80%以上，2018年全球十大电池企业中国占6席，第一名和第三名分别为中国的宁德时代和比亚迪。与此同时，跨国汽车企业先后转型新能源汽车，这是中国首次在全球率先成功大规模导入高科技民用大宗消费品，更是中国首次引领全球汽车发展方向。
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作者简介：
欧阳明高，"长江学者奖励计划"特聘教授，中国科学院院士。现任清华大学车辆与运载学院教授，校学术委员会副主任、国际交通电动化期刊《eTransportation》主编。发表《科学引文索引》（SCI）收录学术论文200余篇，多次被列入中国和全球高被引学者榜。授权发明专利100余项，两次获得国家技术发明二等奖（第一发明人）。还获得国际氢能与燃料电池联盟IPHE技术成就奖、何梁何利科学技术奖等奖励。
十多年来，锂离子动力电池应用于电动汽车，引发了蓄电池领域百年来的革命性突破，改变了人类生活出行和能源利用方式。中国为何要选择新能源汽车路线，其发展的现状和未来又是怎样的？本文将从新能源汽车技术路线选择、新能源动力系统研发进展和交通与能源绿色革命三个方面与读者探讨。
01
新能源汽车路线选择
我国政府高度重视新能源汽车发展，很早前就将其确立为国家战略。2003年，《国家中长期科技规划战略研究》能源领域专家组在给中央领导专报材料“我国交通能源面临的挑战与战略选择”提出发展节能与新能源汽车战略思路。
中国选择新能源汽车发展战略，主要有以下几点原因：
从技术背景看，新能源动力系统是当代科技前沿领域。中国科协发布的2019年20个重大科学技术难题中，有2个难题属于新能源动力系统（高比能量动力电池材料电化学；氢燃料电池动力系统）；中国工程院发布的《全球工程前沿2019》提及动力电池4次、燃料电池2次、氢能与可再生能源4次、电驱动/混合电驱动系统2次。在中国汽车产业快速发展、传统汽车技术落后、电动汽车与国外处于相近起跑线的背景下，布局新能源汽车技术有助于抓住新一轮技术变革机遇、提升核心科技竞争力，带动全产业链的发展。
从战略背景看，在汽车成为国民经济支柱产业的同时，中国也面临着汽车产业大而不强，以及愈发严重的石油安全和城市污染等重大问题。首先是石油安全问题。2019年中国石油消费近7亿吨，其中汽车使用的汽柴油消费占比约一半，与此同时我国汽车保有量持续增长。汽车的数量越多，产生的油耗也就越大，而我国消耗的石油70%以上依赖进口，导致能源安全存在潜在风险。其次是城市污染问题。传统汽车在造成城市中心区域低空污染方面有着不可推卸的责任。根据北京的相关数据统计，20%以上的颗粒物，50%以上的氮氧化物，以及40%以上的挥发性有机物均由汽车带来。最后是中国汽车产业的转型升级。虽然我国的汽车产业规模连续多年稳居全球第一，但与美德等汽车强国相比，我们仍然只是汽车大国，而全球汽车能源动力系统技术的变革和中国独特的发展环境和优势（城市短途出行为主的特征、道路交通管理的体制优势、已有的交通电气化基础）为中国提供了历史机遇。习近平总书记在2014年视察上汽时强调，发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。
回顾中国新能源汽车的发展历程，“十五”期间是中国新能源汽车打基础的阶段，开始对电动汽车技术进行大规模有组织的研究开发；“十一五”期间是中国新能源汽车从打基础到示范考核的阶段，组织实施了《节能与新能源汽车》重大科技专项；“十二五”期间是中国新能源汽车从示范考核到产业化启动阶段，组织实施了《电动汽车》重点专项；“十三五”期间是中国新能源汽车产业快速发展升级阶段，进行了《新能源汽车》科技重点专项布局。
经过多年布局和发展，中国锂离子动力电池技术跻身国际前列，新能源汽车技术产业化成果举世瞩目，习近平总书记在2018年院士大会讲话中指出：“产业向中高端迈进…新能源汽车…等跻身世界前列。”
02
新能源动力系统研发进展
新能源汽车技术主攻目标是建立新能源汽车能源动力系统技术平台，清华新能源动力系统科研团队聚焦“科学问题-技术瓶颈-产业痛点”三者交叉融合的研究方向，着力攻关动力电池系统、燃料电池系统和多能源混合动力系统的核心技术，在多能源混合动力系统及优化控制、长寿命燃料电池系统机理与性能优化、动力电池系统热失控机理与安全防控等方面取得了一系列成果。
1、内燃机混合动力分频段系统动态学与多层次排放控制。
清华团队在燃烧优化方面，揭示了180MP以上高压脉动喷油过程机-液-电-磁耦合动力学，发明了毫秒级喷射过程精确控制技术并实现产业化；发展了基于缸压传感器的发动机燃烧与排放反馈控制理论与技术。
在整机控制方面，建立了内燃动力系统分频段、分层次、系统化控制方法与技术体系；发展了创新的混合动力发动机控制体系；实现了产业化，培育出国内发动机和动力控制领域领先的高科技上市公司—常州易控，其电控系统出货量达到20万套以上，是东风、福田、陕重汽、中车等重点企业的电控技术供应商。
在动力转型方面，研制了多能源一体化混合动力系统，最高节能40%，应用于南车时代电动等企业及多个车型，产值超30亿。最新进展包括重型轮毂电机驱动的电动轮设计和优化控制、分布式混合动力系统的能量管理与容错控制、网络化整车动力学综合控制系统，与火箭军研究院合作研制出世界首台串联混合动力分布式电驱动五轴车。
2、长寿命燃料电池系统物理化学过程和优化设计与控制
近几年来，中国在燃料电池方面取得巨大进步，各项性能指标大幅提升，寿命从“十三五”初期的3000小时提升到如今的12000小时，同时成本不断降低，曾经的技术壁垒空压机已经实现国产化，价格下降了几十倍。这些进步表明我们已经建立起燃料电池技术的产业链，随着国家示范推广项目启动，氢燃料电池汽车在规模和数量上还会有更大的提升。
在车用燃料电池动力系统技术方面，清华团队采用从上至下层层深入、技术链逐环突破的“剥洋葱模式”进行研发，从2005年至今，已经完成燃料电池混合动力系统与控制、燃料电池发动机的研发，已经突破燃料电池电堆技术，正在研发燃料电池膜电极和基础材料，实现燃料电池动力系统-发动机-电堆-膜电极全链条布局。
图1 清华车用燃料电池动力系统研发技术路线图
在混合动力系统层次，率先提出燃料电池-动力电池能量混合型动力系统，实车验证可以比纯燃料电池驱动系统寿命提高一倍以上，国际上率先实现燃料电池客车商业化；在发动机层次，坚持石墨双极板技术路线，面向商用车应用，研发长寿命燃料电池发动机系统（相比采用金属双极板的轿车燃料电池发动机寿命提高一倍）；在电堆层次，发展了面向商用车的长寿命电堆过程动力学与状态辨识理论与技术，首次获得了膜电极两相水传递解析解，建立了燃料电池降维动态模型，发展了基于模型堆内状态估计与管理方法；在膜电极层次，正在与丰田-清华燃料电池联合研究中心进行膜电极衰退机理与建模研究，并与亿华通进行氢燃料电池膜电极研发。
图2 车用长寿命燃料电池动力系统研发技术路线图
上述技术已经进行了大规模应用开发与示范。清华团队开发出国内首辆燃料电池城市客车产品，参与2008年北京奥运《新能源汽车科技示范工程》。2020年，清华大学与福田汽车、亿华通联合开发全球首台液氢重卡，可实现100km/h高速持续运行；搭载航天101所研制的液氢储供系统，储氢密度达到9%。此外，清华牵头承担科技部“科技冬奥”重点项目“氢能出行”关键技术研发和应用示范，目前已有250辆燃料电池汽车在张家口运行，到2022年将有2000辆燃料电池汽车在张家口和北京运行。今年8月，团队培育的学生创业型高科技公司——北京亿华通登陆科创版，成为中国氢能第一股，体现出燃料电池产业链的示范和产业化前景广受认可。
3、车用动力电池热失控与热防控
电池热失控是新能源汽车安全事故的核心科学问题，也是公众关注的焦点问题。清华大学电池安全实验室成立后，建立起国际领先的动力电池热失控科学与技术研究体系。
图3 清华团队动力电池热失控科学与技术研究体系
动力电池热失控热-机-电耦合机制与安全防控主要包含本征安全、主动安全、被动安全三个方面。
本征安全，即从电池设计和制造的角度，在根源上提高电池安全水平。清华团队在国际上率先揭示热失控诱发及蔓延机理：发明了针刺诱发热失控蔓延过程中的温度场重构技术；揭示了锂离子电池的三种热失控发生机理：负极析活性锂、内短路、正极释活性氧；进一步揭示了高比能量电池热失控发生机理：高浓度电解液与负极反应、不可燃电解液电池热失控、锂盐锂盐LiFSI被LiCx还原导致热失控；构建出热失控状态的时序图，开发出相应的电池安全评价及抑制方法。
主动安全，是指依靠整车与电池管理系统的协调控制，借助算法和软件控制使用边界，预防热失控事故的发生。清华团队建立了以热失控预警为核心的智能电池管理系统；开发了新型长寿命参比电极，实现了负极电位的直接精确测量；建立最优充电理论与快充算法，并基于长寿命参比电极标定无析锂快充曲线。
被动安全，是指电池已经发生热失控时采取措施降低事故严重性。主要通过热管理抑制电池燃烧。清华团队开展大容量动力电池热失控喷发特性测试；进行动力电池系统热蔓延建模与验证及仿真设计；开发出相应的热蔓延抑制热管理技术。
在应用推广和产业化方面，相关授权发明专利超过100项，成果应用于国内外主流新能源汽车和电池企业，已经向戴姆勒-奔驰、日产、大众，以及电池企业韩国三星SDI公司和SKI公司等许可知识产权；向国内企业比亚迪、北汽、宁德时代等企业转让知识产权。培育出学生创业公司——北京科易动力科技公司，其电池系统现向以上汽通用五菱为代表的乘用车批量供货。
03
交通与能源绿色革命展望
我们要从三大革命高度全面看待新能源汽车，即动力电动化、能源低碳化、系统智能化。
图4 新能源汽车与“三大革命”
首先是动力电动化带来的电动车革命。从动力电池、电力电子器件的发展来看，高比能量电池与高比功率电驱动系统将带来电动底盘平台化，基于新一代电力电子技术的电机控制器升功率提升一倍以上到可达50千瓦，未来高速高电压电机升功率提升接近1倍可达20千瓦，100千瓦轿车动力体积不到10升。随着电动力系统体积不断减小，电动化将引发底盘平台化和模块化，汽车设计将发生重大变革。电动底盘平台化与车身材料轻量化会带来车型多样化和个性化发展，智能化主动避撞与轻量化车身相结合将导致汽车制造体系的重大变革，例如未来可以将底盘和车身分开来制造，相同的底盘可以个性化安装不同的车型。
动力电动化革命将促进新能源电动汽车普及，最终将带动交通全面电动化。根据中国汽车工程学会《节能与新能源技术路线图》最新预测，到2030年，新能源汽车销量将达到汽车总销量的40%-50%；到2035年，将达到50%以上，即新能源汽车保有量达到1亿辆左右。在可预见的未来，电动船、电动飞机都将成为现实。
图5 电动汽车及交通电动化发展趋势
再者是能源低碳化带来的新能源革命。基于低碳发展理念，中央提出能源革命重大战略，以及2030年碳达峰、2060年碳中和的要求。国家发改委发布的《能源生产与消费革命战略2016-2030》提出，到2030年非化石能源占能源消费总量比重达到20%左右，到2050年非化石能源占比超过一半。
实现能源革命包括“五大支柱”：第一是向可再生资源转型；第二是集中式转向分布式转型，将建筑变为微型发电厂；第三是用氢气、电池等技术存储间歇式能源；第四是发展能源（电能）互联网技术；第五是电动汽车成为用能、储能并回馈能源终端。中国的光伏和风电的技术与成本已经完全具备大规模推广条件，但储能仍是瓶颈，需要靠电池、氢能和电动汽车等来解决。而随着电动汽车的大规模推广，并且与可再生能源结合，其将成为利用全链条清洁能源的“真正”新能源汽车。这不仅能解决汽车自身的污染和碳排放问题，同时还能带动整个能源系统碳减排，从而带来一场面向全部能源系统的新能源革命。
能源低碳化的新能源革命关键技术主要有三项。一是光伏电池技术。近几年来光伏产业突飞猛进：目前光伏效率普遍在20%以上，背面接触钝化的单结晶硅太阳电池效率已经达到了26.7%；全球光伏模块平均价格2018年底已经下降到0.25美元/瓦（目前价格正在向1元/瓦迈进）；光伏在发电中的比例急剧提高，美国加州的光伏电力占比从2010不到1%增长到2018年的约18%；两年前行业内普遍认为光伏装机量2030年达到3-10TW是很有挑战，而现在认为2030年可能会达到10TW左右。
第二是储能电池技术。考虑到光伏的间歇性对电网稳定性的冲击，必须发展如储能技术、光伏电力制气、制燃料等，以锂离子电池为代表的动力电池是短周期分布式小规模可再生能源储存的最佳选择。按照中国动力电池技术发展路线图的展望，到2030年，动力电池能量密度达到500Wh/kg，新一代固态电池进入产业化发展阶段，其成本、规模、性能完全能够满足储能调节的需求。
图6 动力电池需求上升与成本下降趋势
第三是氢能燃料电池技术。集中式大规模可再生能源基地的发展瓶颈在长周期大规模储能系统，传统储能方式已不能满足可再生能源发展需要，而氢能是集中式可再生能源大规模长周期储存的最佳途径。其大规模化后具有更低的储能成本、与储电互补（相比动力电池的高频调节，氢储能的低频调节可与之互补）、灵活制运储方式（300公里以内可用长管拖车，1千公里以上可长途输电-当地制氢，或天然气管道掺氢等方式）的优势。
最后是系统智能化带来的人工智能革命。电动汽车具有出行工具和能源装置双重属性，当分布式汽车储能的规模足够大时，其将成为交通智慧能源也即移动能源互联网的核心枢纽。所以要从智能出行革命和新能源革命双重角度看待汽车“新四化”中的网联化和共享化：一方面，要将网联化内涵里车联信息互联网和移动能源互联网并重；另一方面，要将共享化内涵里出行共享和储能共享并重，停驶的电动汽车都可以连接到移动能源互联网，最终实现全面的车网互动（V2G，Vehicle to Grid）。
图7 移动能源互联网的四大要素
智能充电和车网互动将满足消纳可再生能源波动的需求。按照技术路线图的发展规划，到2035年我国新能源汽车保有量达到1亿辆，届时新能源车载电池能量将达到50亿度电左右（未来如果中国乘用车全部都改为电动轿车，则车载储能容量将与中国日消费总电量基本相当），这一亿辆电动轿车车载电池储能应用的充放电总功率将达到25亿-50亿千瓦。而2035年风电光伏最大装机容量不超过40亿千瓦，所以储能电池与氢能结合完全可以满足负荷平衡需求。
图8 中国充电技术路线图
（国家新能源汽车科技专项专家组）
交通智慧能源将逐渐发展形成智慧能源生态。预计到2035年，光伏进入太瓦（10亿千瓦）时代（电价0.2元/度），电池进入年产太瓦时（年产10亿千瓦时）时代（电池成本0.5元/瓦时），EV/PHEV电动汽车进入亿辆时代（车载电池50亿千瓦时以上），这时需要研究分布式光-储-充一体化智慧能源系统；光伏进入太瓦（10亿千瓦）时代，加上风能进入太瓦（10亿千瓦）时代，绿氢进入年产百万吨时代（每百万吨氢能可储电300亿千瓦时以上），而燃料电池汽车进入百万辆时代（1亿千瓦发电功率），这时需要研究集中式风-光-氢一体化智慧能源系统，并结合电解制氢和车载储氢开展研究。
图9 可再生能源与车载储能电池体量增长关系
始自2001年的近20年积累，中国电动汽车“换道先行”引领全球，同时可再生能源建立中国优势、人工智能走在世界前列。可以预见，2020年至2035年将是新能源电动汽车革命、可再生能源革命和人工智能革命突飞猛进、协同发展、三位一体（出行工具、智能终端、储能装置），创造新能源智能化电动汽车这一战略性产品和产业的中国奇迹新时代。
04
结语
三大技术革命和三大中国优势集成在一个战略产品和产业，将爆发出巨大力量，不仅支撑汽车强国梦的实现，而且具有全方位带动引领作用。这将创造出主体产业规模十万亿、相关产业规模几十万亿的大产业集群。新能源汽车规模化，再把新能源革命带动起来，传统的汽车、能源、化工行业都将发生天翻地覆的变化，真正实现汽车代替马车以来新的百年未有之大变局。
文稿｜欧阳明高 魏一凡
编辑｜于亿航 周圣钧 高松龄
邱雨浩 李艳文
审核｜赵 鑫 张可人