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欧阳明高:新能源动力系统研发进展与发展前景ag亚游集团只为非 发布日期:2019-03-17 14:03 浏览量:

  2018年11月15-16日,由河北省工业和信息化厅、张家口人民政府、中国电动汽车百人会主办,张家口市工业和信息化局承办的主题为“协同发展推动能源革命”的第一届中国张家口氢能与可再生能源论坛在张家口举行。11月16日上午的高层论坛围绕能源消费革命和绿色低碳能源体系发展;可再生能源成为应对能源转型的挑战与机遇;氢能应用国内外发展趋势;氢能网络的形成与投资;氢能发展需要的政策及法规;燃料电池大规模产业化的瓶颈展开。来自国内外政府与相关部门的领导、氢能产业研究的专家学者以及汽车、能源、等领域的企业代表发表观点并进行了深入交流。

  中国电动汽车百人会执行副理事长、中国科学院院士欧阳明高出席大会并发表演讲。以下为演讲实录:

  刚才听李宏司长的介绍很激动,所以今天产业对接算是我来到张家口第一个成果,待会儿还有院士工作站揭牌。我的主旨演讲是介绍一下我们的工作以及我们的理念,题目是“新能源动力系统研发进展与发展前景”,分三个部分:第一,介绍一下我的团队;第二,介绍其中一项工作;第三,讲一下我们对氢能与可再生能源的愿景。

  我们清华汽车新能源动力系统团队的研发目标就是建设新能源汽车能源动力系统技术平台。大家知道,不管是混合动力汽车、纯电动汽车还是燃料电池汽车,背后的技术实际上是动力系统,动力系统往前就是能源,所以我们其实是立足在动力系统,现在是往能源方向发展。

  这是动力系统的实验平台,包括电池安全实验室、动力系统集成、燃料电池实验平台等等。电池安全方面,我们有一个清华大学电池安全实验室,我们也建成了清华光、电、氢一体化微网试验系统,这也是表达我们对未来的一个愿景。因为我们研究了电池,也研究了燃料电池,下面我们还要研究光伏,把三种不同的电池结合起来,往能源方向发展,这是我们正在做的,这是我们清华已经建的一个示范基地。

  我们这些年来也取得了一系列的成果,同时也孵化了一批企业,这里的亿华通、海珀尔都是我们孵化的。我们是学术界,也参与主编国际杂志的文章,也发表论文、培养人才。

  介绍一下我的研发团队。我们聚焦新能源动力系统这三个科学问题和技术瓶颈。对动力电池系统来讲主要是安全问题,动力电池或者说纯电动汽车目前的核心问题是安全问题,所以我们专门建有电池安全实验室来研究背后的科学问题和技术问题。安全问题的科学本质是电池的热失控。燃料电池地核心问题是寿命问题,其他部分应该说都是优势。现在要降低成本,从技术角度来讲,科学和技术问题主要是寿命问题,其实寿命延长了成本也将降低了,因为用的时间长了。还有混合动力系统,重点是严重排放问题。其实做新能源也是从发动机做起的,最开始我们是学发动机的,因为以前还没有新能源,发动机的问题主要是排放问题。这是我们针对三个问题进行的一些工作,取得的一些成果。

  首先,在混合动力方面,我们重点是做控制。我们建立了内燃动力系统分频段、分层次、系统化的控制方法,并且进行技术转移。目前国内在动力系统控制方面最有名的公司易控是目前我们在汽车行业的一个品牌,就是我们孵化的企业。

  第二,关于电池安全。我们从引起电池安全的各种诱因,到它发生的机理和电池的安全设计方法,从一个电芯发生安全事故之后如何在整个电池系统内部蔓延从而引起整车事故的完整过程的研究。合作伙伴包括奔驰、宝马、日产、三星、宁德时代等等,主要的大型公司都在跟我们合作,我们也培育出了相应的企业。

  今天重点说的是燃料电池,也是从一步一步发展,做了十几年。首先是做燃料电池动力系统,做车,那个时候发动机我们是自己不做的,一步一步深入到我们自己研发燃料电池发动机。因为燃料电池发动机实际上是我前面讲到的动力电池和内燃机的一种结合,所以我们把那些技术发展出来做燃料电池,当然那个时候燃料电池电堆还是从外面买的。第三步我们又研发燃料电池电堆。现在我们的电堆也突破了,但是这个时候膜电极还是采购全球最好的,下一步我们将重点攻关膜电极。这是我们在三个方面工作的一个简况。

  首先,在动力系统层次,十五年前,当时国际上主要还是纯燃料电池汽车的时候,我们提出了燃料电池跟动力电池混合动力,这样可以减少燃料电池功率,提高燃料电池寿命,这是我们当时的第一个成果。用我们的系统可以使城市公交在大范围变化的工况下,真正加载到燃料电池的是一个恒定功率,这对燃料电池寿命提升大有帮助,可以提升寿命超过一倍,这也是在北京公交经过一年跟国外纯燃料电池对比考察之后得到的结果。现在国际上都采用这种方法。我们也在十几年前就开始氢安全的研究工作。我们做了世界上第一例氢瓶耐压碰撞实验,也做了氢瓶的燃料、枪击等实验,现在我们的企业也具备氢瓶有关资质。

  最后,我们把所有技术集成起来形成了燃料电池混合动力系统,包括燃料电池发动机控制系统、电池系统、电机驱动系统等,整套技术都是我的团队做的,现在已经在国内推广。比如,福田2006年开始跟我们合作这套系统,现在他们完全可以自己生产。这是我们从示范考核、应用推广到最后真正实现产业化的一个过程,经历了十几年的时间。

  我们建立了中国第一个加氢示范站北京永丰加氢站。这是2008年配合北京奥运建立的,应该说奥运跟我们关联度还是很高的,这次为了冬奥会我们将在张家口跟中石化等等合作,大规模建立加氢站。

  在发动机层面,我们开展了一系列的核心技术攻关,包括总的研究、仿真、端板设计等各方面;我们也在零部件研发方面大力开展工作,在整机匹配方面、实验考核方面建立了系列化的实验基地;整个系统的控制方面,也把在电池、发动机方面的控制技术转移过来进行燃料电池系统的控制。这是亿华通公司和清华团队一块开发的几代燃料电池发动机的过程,现在已经开始批量生产。这是最新一代的2018款的30千瓦燃料电池发动机,这是60千瓦的,这些都已经过相关国家检测机构的检测。

  在电堆层面,我们也开展了一系列的工作,包括长寿命电堆的设计与制造以及双极板的批量生产供应。因为以前双极板非常贵,现在通过自动化生产线已经把这个成本大大降低,所以今后主要是膜电极的规模生产。这是我们在电堆层面的一些工作,一些比较深入的理论研究工作。现在学校的博士生基本上做实验都在公司,这样形成紧密的产、学、研结合模式,博士生大量时间都在企业,因为企业的测试设备比学校的要更好,所以学生也愿意在这里做实验,这样就可以把理论和实际紧密结合。这是系列化电堆,功率密度在2千瓦/升,这是持续功率密度,而且我们的寿命要比他们的长,因为他们是用轿车的,我们重点用商用车的,他们是金属极板,我们是碳板,我们强调长寿命,他们强调高功率密度,两者是不一样的。

  亿华通公司已经在张家口落户,这是上海神力的电堆生产基地,这是在张家口的发动机生产基地,这是在加拿大的研发基地,这是我们已经在张家口进行示范的车,现在74辆,年底还要增加,现在已经是全球单一城市最大的车队。跟纯电动汽车相比,燃料电池汽车更适用于北方低温城市。因为在低温环境下电池由于极化原因会使里程大大下降,同时还有取暖问题;而燃料电池更容易实现,纯电动相对来说难度就比较大。所以我们选择张家口是有各种各样的原因,这也是其中一个原因。

  我们将来会在连接北京和张家口的这条路上建立相应的加氢站,长途运输也能实现。

  这是产业化模式,除了燃料电池之外,还有整车、发动机和电堆,进一步扩展就是氢燃料。因为本质来讲,氢能和燃料电池是一个完整的产业链,光燃料电池汽车是不可能实现产业化的,因为车之外的东西很麻烦、很复杂,所以我们一直延伸到氢能,也就是为什么要到张家口的另外一个原因。现在我们建立了基于可再生能源的制氢厂。我们的理念是氢能的主要来源应该是可再生能源,而可再生能源也需要氢能来进行储能,所以两者是相互需要的,只有这样氢能才真正具有战略意义。我们选择的是跟可再生能源结合。在加氢站建设方面,跟原有的加油站结合,同时我们选择北方城市,这都是我们对氢燃料电池长期研究之后的一些体会然后做出的选择,所以我们也希望大家一块都能到张家口来把这个产业链建起来,因为这是最有希望成功的一个地区。

  这是除了风能之外,还有水电和副产氢。目前制氢的主要可行有几种方式,弃风、弃光、弃水加上工业副产氢,这是目前低成本制氢的主要来源,这是我们将来能够进行扩展的一种方式。

  现在进行电动汽车的革命,应该说已经是真正的在革命,而不是一个泡沫,已经实现产业化,在全球不可逆转。跟现在特时髦的无人驾驶汽车完全是不一样的,因为它还在很早期,还很不确定,还有很多泡沫,但是电动汽车不是这样的,已经不可逆转。

  我们认为下一步最重要的是新能源革命,可能比人工智能革命来的要更加早一点。一般意义的车联网和辅助驾驶不算革命,那是传统汽车电子的一个发展。要实现真正革命,无人驾驶汽车可能是基于人工智能革命的。但是人工智能革命现在还在初期,而无人驾驶汽车是人工智能革命中最难的一个领域,所以我们认为在电动汽车革命之后马上要带动的是新能源革命,就是可再生能源革命。中国太需要能源革命,就是转型为以可再生能源为主体的多元能源结构,我们不能从以煤为主转向以油气为主,这对中国也不大好。油气为主,就要依赖国外,这是风险非常高的。我们最有可能的是转向以可再生能源为主的煤、油、气多元并举的一个局面,这是我们的理念。而电动汽车革命可以促进能源革命,能源革命也可以使电动汽车真正做到零污染,所以又是相互促进的过程。能源革命中间就有智慧能源,也是人工智能革命的一个组成部分。还有制造的智能化也是人工智能革命的一个组成部分,最后才有可能是无人驾驶,这是我个人对这三场革命的一个基本看法。

  总书记已经提出要推动能源生产与消费的革命,我们这里有一本很著名的书就是《第三次工业革命》,它说实现能源革命的五大支柱是什么呢?第一,向可再生能源转型,尤其是发电,要全面实现可再生能源发电,这个在中国不会太晚,应该说推进起来速度会很快。不能说所有的都是可再生能源,但是至少发电很快就会实现以可再生能源为主,很多专家在这方面是一致的,我个人对这块是非常乐观的。第二,把建筑转化为微型发电厂,就是分布式的。可再生能源除了集中式可再生能源,更多的是分布式的。用氢气、电池技术来储存能源,这也是很重要的。可再生能源大规模使用的瓶颈就是储能,储能真正会带来能源革命,不仅是可再生能源需要储能,大电网也需要储能,就像我们刚才说的燃料电池混合动力一样。如果有了储能,刚才说到的燃料电池汽车,能够发电,相当于发电厂,车的工况相当于电网的一个终端负荷,这个负荷是经常变化的,但是传统上由于没有储能,必须按照最大的负荷来设计它的容量,就像城里的公交车,最大功率200千瓦,发动机就得选200千瓦,电网也是这么干的。而且为了防止电网出现问题,还得有保险的容量,所有的电厂都需要储备发电机组,随时应对可能出现的波峰。但是如果有了储能,就像燃料电池系统里加上储能电池之后,发电机就不需要按照最大负荷来设定,只需要设定平均负荷,也就是说发电主要是提供能量,不是提供功率,就是对发电机来讲是提供能量平衡,而功率平衡主要是靠储能。因为储能的功率可以很大,电池的峰值功率很大,可以1C、2C、4C放电。但是如果有储能就不需要搞那么多的电网,也不需要搞那么多的配电网,它会大大的降低成本,就像燃料电池最大功率是200千瓦,但是平均功率50千瓦就够了。所以电网也是一样的道理,储能是能源革命的核心,而氢能其实就是集中式储能的最佳载体,电池和电动汽车是分布式储能的最佳选择,这是我们的理念,也是我们为什么要做的。把这些分布式的能源通过智慧能源的方式连起来,形成能源互联网。电动汽车既是终端用能的一个负荷,又可以往电网回馈能源,它们是互动的。

  这是我们对未来能源体系的一个基本理念,所以新能源汽车需要清洁能源,也可以推动能源变革。

  首先说氢能和氢燃料电池。氢能可以有各种各样的方式制氢,但是我个人认为,对中国而言,氢能的来源主体应该是可再生能源。各个国家的国情是不一样的。比方日本,氢能的主要来源就是进口,因为它没有地方搞分布式能源。大家去过日本,到处都是密密麻麻的房子,根本就没有地方。而进口能源对日本来讲,进口氢能是最好的方式,是无碳的精品能源,所以日本要搞氢能社会。但是基础是基于从国外进口,这是他们的选择。我们是要因地制宜制氢的,氢能是依靠我们自身的可再生能源,这是不一样的。

  可再生能源大规模应用瓶颈在储能,传统的储能方式已经不能满足可再生能源发展的需要。现在有各种各样的储能方式,压缩空气的、抽水蓄能的等。我个人认为最终的集中储能就是氢能,现在全世界都在这么做。氢能制取之后也可以直接进入天然气管道,这是集中式、大规模、长时间可再生能源储存的最佳方式。而电池是支撑分布式可再生能源大规模发展的一个重要途径。这是我们的看法。

  氢能燃料电池前面,我们现在已经有2000多辆燃料电池车和12座加氢站。下面几年里,我估计会大力发展,张家口在冬奥会之前就会建几十座。这是我们对未来氢能燃料电池车的展望,因为我们认为主要会是商用,比方出租、公交、物流、长途卡车,这是主要的应用方式。

  氢能是整个能源技术的前沿领域,而不仅仅是汽车技术前沿领域。如果仅仅把氢能理解为汽车技术,就比较狭窄了,我们必须把它理解为整个能源技术革命的一个前沿技术,这也是国家发改委在能源技术革命行动计划中对氢能的规划。我认为必须从能源革命的层次来看氢能,而不是从电动汽车革命的角度,那只是它的一个分支和一个突破口,这也是我们为什么把氢能和可再生能源作为这次论坛的主题。

  第二个是太阳能光伏电池。太阳能光伏电池的成本在快速下降,平价已经不远了,其实电网侧已经可以平价了,只是在用户侧还不能实现平价,这也主要是中国煤电规模太大了,新旧动能转化的时候遇到的阻力,我个人认为是非技术原因造成的。在太阳能方面,中国制造是其中最大的优势,现在国外没办法在光伏方面跟中国竞争, 70%以上份额都是中国的。这是中国优势,我们必须要发挥的。近两年,分布式光伏又成为一股新的力量。我认为光伏最好是分布式的,而且分布式光伏和分布式储能结合是最好的一种方式。现在分布式光伏发电很快,因为分布式光伏是直接跟用户打交道,是市场化的,跟集中式光伏不一样。集中式光伏上网必须通过国家电网,而分布式光伏是用户侧,很多是市场因素,可以走进千家万户,而不是一个企业所能垄断的。只要有垄断,成本一定会高,而且应用的规模就一定不大。如果我们面对的是千家万户,是市场化、国际化、竞争性的,那么成本一定快速下降,而且应用规模就像车一样迅速扩大。

  光伏还会进一步发展。从理论上讲,下一步是30%的效率,以前都是10%,现在已经都是20%了,理论是33%。现在我们要把这两种比较高的,单晶25%和钙钛矿22%,结合起来往30%走。这是我们下一步即将进入光伏研究的目标,就是要做到30%。如果能达到30%的效率,那么车上也可以用光伏,衣服可以用光伏,这个用量是非常大的,这就是下一步的新一代光伏技术。

  下一个就是锂离子电池。锂离子电池跟光伏电池一样,也是中国的优势。我们从“十五”、“十一五”、“十二五”到“十三五”,比能量不断提升,成本在不断降低,只要是汽车用成本就不可能高,所以成本下降的速度超出了我们的想象,同时中国已经在这方面处于国际的前列。比如说2017年全球动力电池装机前10名有7名在中国,中国优势已经凸显。动力电池方面,现在中、日、韩是第一的,美国和欧洲基本上没有电池产业,现在光伏也没有,锂离子电池产业也没有,这是我们的优势。

  同时电池成本下降是这么一个趋势,最终会到100美元/千瓦时。100美元/千瓦时也就是三五年的时间,100美元/千瓦时只是指高性能电池,现在经济性电池已经达到这个目标,而大家看电池的应用规模是这样上取得,我们还有十几倍、几十倍的潜力,大家想象一下这是多大一个空间。这是电池成本下降的速度,这是它达到这个成本的一个时间,2025年之前将会全面的达到这个目标,这将不仅在车上使用得到迅速的发展,而且在储能方面将会全面的取代其他储能方式,因为成本方面其他储能方式没法跟化学电池竞争。由于车的应用,使这种电池的成本大幅度下降,这是其他的储能方式无法比拟的。大家知道,现在美国和澳大利亚,大型储能电站也都是锂离子电池,主要是特斯拉在那儿做,都是储能电池。我们现在最便宜的电池是磷酸铁锂电池,磷酸铁锂也是中国特色。三元电池因为钴要进口,而磷酸铁锂全都是中国资源,现在的成本已经是7毛/瓦时,也就是说它已经接近100美元/千瓦时了,就算是三元电池由于材料涨价进口会有些问题,但是磷酸铁锂电池一定可以保我们的底。在智慧能源的发展方面,特斯拉是先锋。特斯拉既做电动汽车、也做储能,它已经在这方面开出一条路。

  如果展望一下中国2030年,分布式光伏、储能电池、氢燃料电池、电动汽车将会相互需要、四位一体,简单就储能电池来看,2030年车上的储能电池会达到50亿瓦时以上。因为大概是1亿辆车,再加上车下的,因为充电也要储能电池等等,100亿瓦时没有问题。现在全国一天电的消费量是140亿瓦时,就是说电池储能的容量相当于接近一天全国的用电量。如果从功率的角度来讲就更不得了了。100亿瓦时,就算1C放电也是100亿千瓦,而现在中国的装机容量只有17亿千瓦,所以大家想想这是什么概念。我们很快在10年之内就会看到这样的景象,所以必须从源头来抓这个东西。正是基于这样的理念,我们才建设了清华汽车楼的光、电、氢一体化微网试验系统。我们为什么要搞微电网呢?因为车下的微网系统跟车上燃料电池系统是一样的,都是直流微网;因为车和电池都是直流的,所以电网可以极大地简化。同时车网可以互通,车既可以充电也可以放电。因为燃料电池可以作为发电站,燃料电池车可以作为移动发电站,所以交通能源跟固定能源已经一体化了,所以不再区分是车还是能源,车和能源是一个大系统。

  与此同时,智能化方面还会有智能制造和工业互联网等,现在也是风起云涌,这方面的人工智能比无人驾驶会简单得多,因此会首先展开。我想首先可能是智慧能源,比如现在区块链都已经在智慧能源中使用,然后是工业互联网。生产过程比无人驾驶简单一个数量级以上,肯定会率先获得突破。

  将来的车由于工业互联网和智能制造会彻底的改变。比方燃料电池汽车和电动汽车就是这样一个平台,材料会越来越轻量化,使车身可以有五花八门的变化,同样一辆车可以有五个车身,可以随意在家里更换,能够带来一场车的革命。所以将来开的车,人人开的车可能都不一样,不是批量生产而都是个性化的,根据不同的场合可能会换不同的车身。

  接下来是自动驾驶与车辆互联网,初期可能还是辅助驾驶、自动泊车、紧急制动以及自动避撞这样的功能会。无人驾驶汽车在中国的场景是最复杂、最难的,相比欧美是最难的。无人驾驶汽车在人工智能革命中又是最难的,无人驾驶汽车在中国,短途会遇到城市交通复杂问题,长途会遇到高铁的竞争。因为长途无人驾驶不就像坐高铁一样嘛,所以会遇到这样的问题,这是我们对未来的一个展望。

  最后我做一下总结。现在电动化在持续地进步,下一步要盯的是新能源,就算智能化也盯的是智慧能源,最后才是真正的自动驾驶。时间节点会在哪里呢?我们认为全球2030年、中国2025年会是一个关键节点。现在的新能源汽车是1.0版,新能源汽车结合可再生能源是2.0版,再结合人工智能革命是3.0版,我们估计在2035年左右这些都将会产生,所以我们刚刚召开了“政协双周座谈会”,座谈会之后新华网已经发布文章,“面向2035年制定新能源汽车长期规划”,而且分车型、分地区制定禁止燃油车销售的时间表。这是我们的一个基本理念,在这次会上也达成了一些共识。

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