中國動力電動化發展前景預測與技術路線展望

我國新能源汽車技術路線經歷了四個發展階段，2003年-2005 年：國家中長期科技發展規劃確立了節能與新能源汽車戰略（低能耗與新能源汽車）；2009年-2012年：科技部與工信部發展規劃確立了“純電驅動”技術轉型戰略；2014年：發展新能源汽車受到中央領導核心的重視，習近平總書記親自確立了發展新能源汽車的汽車強國戰略，開啟了中國新能源汽車產業化新階段；2018年11月：全國政協召開“促使新能源汽車產業健康發展”雙周座談會，一些委員提議研究制定面向 2035年新能源汽車發展戰略規劃，盡快明確分類別、分地區的禁售燃油車時間表，穩定產業發展預期，開啟了新一輪戰略討論的序幕。

中國科學院院士、中國電動車百人會執行副理事長歐陽明高以親歷者身份回顧和展望了中國新能源汽車技術路線的探索、踐行與創新過程，希望能夠對新能源汽車下一步發展戰略的制定提供參考。本文是從作者即將由科學出版社出版的專著《汽車動力系統學——電控發動機系統、動力電池系統、燃料電池系統、混合動力系統》第一章：節能與新能源動力系統概論部分內容改寫而成。力圖用盡可能通俗的語言，厘清與發展戰略和技術路線相關的發展理念、技術概念、論證邏輯、演化脈絡等，以便相關討論能夠在相互理解的思維方式和話語體系中順利展開，促使我國新能源汽車更好更快發展，早日實現汽車強國目標。

中國動力電動化發展前景預測與技術路線圖展望

1. 動力電池與純電動車

鋰離子動力電池使用于電動車以來能量密度不斷提升。國際上主流動力電池和新能源汽車企業的共同目標是2020年前實現單體電池比能量達到300瓦時/公斤，使電動車達到與燃油汽車大體相當的續駛里程。目前，國內企業寧德時代等已經成功開發出了300瓦時/公斤的大容量軟包型鋰電池產品，計劃2020年前在全球率先投放市場。從車用角度看，體積能量密度顯得更為緊要，其它高比能量電池如鋰硫電池難以車用的主要原由是因為體積比能量低。而這方面鋰電池具有優點。正如國際著名電池專家Jeff Dahn所言：鋰電池很難在體積能量密度上被擊敗。從這個角度看，鋰電池具有成為動力電池主流技術的潛質和前景。但是高比能量鋰電池的安全性始終是一個瓶頸。處理這一難題一方面要靠熱-機-電系統技術抑制電池熱失控的誘發與蔓延；另一方面要從長計議，從改善電池本征安全性出發，發展新型固態電池技術。近年來國際上在無機硫化物固體電解質方面取得緊要沖破。但受制于固/固界面穩定性問題，固態電池發展可能要經歷從液態→半固態→固液混合→固態，最后到全固態過渡的發展階段。基于對國內動力電池技術和產業基礎的分解，以及對標國際動力電池發展技術水平和目標，“十三五”國家重點研發計劃《新能源汽車》總體專家組于2017年底提出我國動力電池技術發展技術路線，如表1所示。

表1 動力電池技術發展技術路線與目標展望2017

面向2020年發展目標，動力電池技術發展重點是開發高鎳三元正極材料、硅碳負極材料和寬電壓窗口電解液。到2025年材料體系有望升級，采用更高比容量的富鋰材料，高容量的硅碳負極，逐步開始向固態電解質轉型。到2030年，全固態電解質預計有望實現大規模商業化。考慮電池的循環利用價值，全球電池系統價格變化趨勢大致為：2020年為700-1000元/千瓦時，2025年為700-800元/千瓦時。對于磷酸鐵鋰離子電池等低成本鋰電池，上述價格目標將提前實現。研究結果顯示，基于全生命周期成本計算，當電池價格達到100美元左右時，純電動車與燃油車相比將具備性價比優點。

除了電池核心技術之外，純電動車的發展還取決于電動車整個技術鏈。當前，純電動車使用存在的主要抱怨之一是實際續駛里程低于期待值。雖然均勻標稱續駛里程比5-6年前提高了一倍左右，但實際續駛里程對氣溫柔駕駛風格過于敏感。而靠增加電池加大續駛里程的做法又會導致車重增加和電池安全性風險上升以及性價比下降。這一外在表現的內在實質是整車集成技術水平偏低和充電基礎設施發展滯后，詳盡體今朝整車百公里電耗偏高和充電不方便。這些問題預計今后5-7年將逐步得到處理。

在整車電耗方面，2020-2025年之間，電機驅動系統將在高效化、小型化方面出現技術飛躍，以碳化硅為代表的新一代小型高效電力電子器件將普及使用，推動驅動電機朝小型高速低成本方向發展，美國能源部發布的2025年規劃提出了極具挑戰性的目標：電機比功率達到50千瓦/升，電機控制器比功率達到100千瓦/升。此外，新一代熱管理技術，如熱泵空調的普及使用將進一步提升純電動車環境適應性和能效，將使冬季低溫環境下續駛里程損失比現有車型降低2/3。在此基礎上，整車輕量化與能效綜合優化技術將使百公里電耗進一步降低，并大幅降低電耗波動性和里程敏感性。日產凌風車型在此方面已經做出標桿——家庭小型純電動車NEDC標準工況探測百公里電耗接近10千瓦時。此外，電動車智能化技術將大發展。OTA（空中下載技術）將普遍使用，整車企業的車載控制平臺將對外，形成開放生態。筆直面向終端客戶的車輛能耗等性能優化APP軟件將極大滿足多元化客戶的個性化需求。

在充電方面，我國現有配電負荷與電壓制式非常適合小功率慢充，要充足發揮這一優點，盡快使現有電動乘用車交流慢充樁做到每車必裝，成為主體供電模式。長遠看，這一能量供給模式還能使大規模推廣使用的電動車在分布式可再生能源互聯網中發揮緊要作用。此外，應急補電快充時間將縮短到10-15分鐘。這里，快速補電只用作輔助手段。這一定位是從電池、整車、基礎設施、電網以及可再生能源轉型等全方位綜合考慮得到的結論。現有直流大功率快充和換電等對現有主流技術體系改動太大，代價太高，與其定位不太符合，預計今后5-7年新一代快速補電技術將會出現。

與此同時，世界上最嚴排放法規國六標準將在國內實行，傳統汽車技術將進一步復雜化，導致成本上升，使新能源汽車與傳統燃油車相比的性價比拐點提前到來。據此，中國純電動車的推廣進程預測如圖1所示。相應的電動乘用車充電方式預測如圖2所示。

圖1 中國純電動車的推廣進程預測

圖2 電動乘用車充電方式預測

2. 燃料電池與燃料電池汽車

依據奔馳、豐田、現代等在燃料電池范疇具有技術優點的國際大公司預測分解，面向2025年鋰電池電動車與氫燃料電池汽車的成本優點對比，燃料電池汽車在長途重載大型交通運載工具中具有優點。總體而言，鋰電池動力系統更適合取代汽油機，而燃料電池動力系統更適合取代柴油機。在燃料電池早期發展階段，曾試圖發展純燃料電池動力系統。但經過多年探索，尤其是我國在2000年-2005年的研發貢獻，目前燃料電池與動力電池的混合動力已經成為燃料電池動力系統的主流技術路線。我國燃料電池汽車的產業化是以純電動和插電式混合動力為基礎平臺的。因此，商業化初期均采用了小功率燃料電池與動力電池的深度混合動力構型，使成本降低，耐久性提高。從全球看，燃料電池汽車相比純電動車的產業化進程約晚10年左右。預計2020年將是燃料電池汽車技術在部分車型和局部市場率先沖破，并取得競爭優點的關鍵年份。2025年前燃料電池汽車技術將逐步成熟，但還將面臨制氫、運氫、加氫、儲氫等氫能技術效率偏低和成本偏高的問題。預測在2025年-2030年間將取得氫能技術新一輪沖破，從而實現氫能與燃料電池技術的全面成熟以及在交通與能源范疇大規模全方位市場滲透。中國燃料電池技術與國際先進水平的差距主要表今朝以膜電極為代表的基礎技術和以高速無油空壓機為代表的總成技術上。此外，與動力電池相比，燃料電池的產業鏈還很薄弱。但是目前中國燃料電池產業化態勢全球最佳，已經吸引了全球相關資源的深度參與和全面集中，預計在今后5-10年有可能達到與目前中國鋰電池國際地位相當的水平。

依據筆者等在《節能與新能源汽車技術路線圖2015-2020》研究中得到的初步結果。中國燃料電池系統發展將以2020年、2025年及2030年為三個關鍵時間節點：

2020年，燃料電池混合動力系統進入產業化使用。在這一階段，燃料電池發動機體積功率密度達到400W/L（乘用車），質量功率密度達到450W/kg（乘用車）和300W/kg（商用車）；最低冷起動溫度達到-30℃，滿足中國絕大部分地域冬天起動需求；壽命達到5000小時（乘用車）和10000小時（商用車）。

2025年，通過提升燃料電池發動機額定功率、功率密度、效率及環境適應性，大幅提高燃料電池系統性能。燃料電池發動機最高效率達到60%，體積功率密度達到600W/L（乘用車），質量功率密度達到550W/kg（乘用車）和400W/kg（商用車）；最低冷起動溫度進一步降低至-40℃，完全傾覆中國所有地域冬天起動需求；壽命達到6000小時（乘用車）和20000小時（商用車）。燃料電池客車在北方寒冷地區技術競爭力超越純電動客車。

2030年，氫能燃料電池技術在交通和能源范疇大范圍推廣使用。燃料電池發動機最高效率達到不低于65%，體積功率密度達到850W/L，質量功率密度達到650W/L；壽命達到8000小時（乘用車）和30000小時（商用車）。大功率燃料電池長途卡車將替代柴油卡車。

2018年，我們更新了2016年《節能與新能源技術路線圖》對我國氫能與燃料電池汽車階段性發展目標的預測：2020年，實現氫能及燃料電池汽車規模化示范運行和商用車產業化。基本掌握高效氫氣制備、純化、儲運和加氫站等關鍵技術；基本掌握低成本長壽命電催化劑技術、聚合物電解質膜技術、低鉑載量多孔電極與膜電極技術、高一致性電堆及系統集成技術，沖破關鍵材料、核心部件、系統集成等關鍵技術。示范車輛達到5000-10000輛。2025年，建成氫能燃料電池產業鏈，大幅降低燃料電池系統成本。以商用車為主實現氫能及燃料電池汽車技術的規模推廣使用。累計使用規模達到5-10萬輛。2030年，建立具有國際競爭力的完備的燃料電池材料、部件、系統產業鏈。氫能燃料電池汽車技術在性價比上取得沖破。沖破新一代氫能技術，氫氣來源主體為可再生能源。實現氫能及燃料電池汽車的大范圍大規模推廣使用。燃料電池汽車累計規模達到百萬輛。同時，氫能燃料電池技術在各種交通工具和能源儲存及發電范疇廣泛推廣使用。

3. 內燃機混合動力汽車

發展混合動力有兩條宏觀技術路徑：一是從內燃機動力往上發展，一條是從純電驅動平臺往下兼容，如圖3所示。日本屬于前者，以常規混合動力為特色；中國主要選擇了后者，以插電式混合動力為特色。宏觀技術路徑往往對詳盡技術路線有很大影響。

圖3 各種類型混合動力與燃油車和純電動車的相互關系

為了研究混合動力技術路線，筆者課題組先后探測了通用功率分流構型純電型插電式混合動力VOLT（通用稱為增程式電動車）、本田分時串并聯式混合型插電式混合動力I-MMD、日產串聯式常規混合動力e-POWER，找到了各國和各大公司混合動力技術路線的特點。日本汽車具有高效節能的傳統優點，這在混合動力的開發中得到充足體現。基于阿特金斯發動機等高效內燃機和可變電壓的電動機外特性輸出控制以及先進的機電耦合裝置等核心優點技術，日本引領了常規混合動力的產業化潮流，尤其是深度混合動力的世界領先者，先后有豐田的功率分流型、本田的串并聯型和日產的串聯型等混合動力產業化標桿技術和車型出現。其插電式混合動力汽車也是基于常規深度混合動力開發的，純電續駛里程短，這種構型在電池成本較高的情況下具有成本優點。歐洲以德國為代表更加重視從微混合、輕混合到深混合、插電式混合動力系統的系列化并在全系列車型主要采用并聯構型，其中深度混合以驅動電池安裝在發動機離合器和變速器之間的所謂P2構型為主要特色。選用P2構型的原由主要有：（1）高速公路不限速，需要多檔變速器，同時變速器技術成熟；（2）柴油轎車多，輸入扭矩大，也需要多檔變速器；（3）縱置后驅車型多，便于布置。美國以通用公司為代表筆直進入純電型插電式混合動力階段，其插電式混合動力系統構型復雜，純電續駛里程較長，受到美國市場歡迎。中國新能源汽車產業化力推“純電驅動”，常規混合動力汽車受到抑制，插電式混合動力汽車發展迅猛。在法規引導下，中國插電式混合動力純電續駛里程長，均在50公里以上，故綜合油耗低，同時混合動力構型與控制可以更簡單并且回避了在內燃機性能方面的弱勢，形成了具有中國特色的插電式混合動力發展技術路線。

在后補貼時代，中國混合動力汽車該要怎么樣發展？這是一個需要回答的緊要問題。

對于常規混合動力汽車，其使用油耗與道路工況有很大關系。在擁堵的城市工況，由于車速較低且需要頻繁的加速和減速，使用串聯混合方式可以將發動機與負載工況解耦，與傳統汽油車相比，混合動力汽車的節油效果顯著。而高速公路工況相對穩定且負荷率也相對更高，因此從節油角度，發動機直驅或者并聯混合較好。豐田Prius功率分流式混合動系統同時具有串聯和并聯功能，一直是常規混合動力的國際標桿。但隨著混合動力技術的多元化發展，不同混合動力系統構型均能實現功率分流式混合動力的高性能，如表2所示。日產的串聯式混合動力NOTE e-POWER在能效和市場接受度上與豐田功率分流式混合動力的猛烈競爭就是很好的例證。因此，中國發展常規混合動力不一定要完全走功率分流的模式，全系列模塊化與構型一體化的歐洲模式更值得我們學習。

對于混合型插電式混合動力汽車，其與常規混合動力不同，由于存在電量下降階段和電量保持階段兩個工作階段，且可以使用外部提供的電能驅動車輛，因此其節能減排效果好于常規混合動力汽車。混合型插電式混合動力汽車的油耗計算比較復雜，包括電量下降階段油耗、電量維持階段混合動力油耗、百公里綜合油耗（兩階段里程在百公里中占比加權油耗）、基于出行特征的統計均勻油耗等多種油耗。其中，第四種油耗是最緊要的使用油耗。在車輛每天行駛的里程中，電量下降階段里程的利用率越高，則車輛的使用油耗越低。近年來，中國插電式混合動力技術進步十分迅速，市場不斷張大。插電式混合動力電量下降階段里程也正在從50公里逐步提高到70公里，甚至100公里。隨著插電式混合動力電量下降階段里程的增加，則電池容量和功率也大幅提高。因此，電量下降階段發動機沒有必要啟動助力，從而實現純電動。也即中國特色的插電式混合動力不是混合型插電式，而是純電型插電式。

表2 典型混合動力系統構型特性比較

對于純電型插電式混合動力汽車，其惟有在電池電量維持階段才是混合動力。因此它是節能減排效果最好的混合動力汽車。以通用公司VOLT車型為例，其純電行駛里程為64公里，按照極端情況計算，如果每天出行都在64公里以內而且每天可以充電，則使用油耗為0。按照出行特征統計規律，以均勻行駛里程較長的美國出行特征計算的百公里油耗統計均勻值為2.8升，而以均勻行駛里程較短的中國出行特征計算的百公里油耗僅為統計均勻值0.86升，與同級別燃油車相比可以省油90%左右。隨著動力電池的技術進步與成本降低，純電型插電式混合動力將會成為具有中國特色和優點的乘用車主流車型。

由于當前行業熱點——增程式電動車實質上是串聯構型的純電型插電式混合動力。因此，要怎么樣理解和發展純電型插電式混合動力是當下我國新能源汽車技術路線的關鍵問題之一。無論什么構型的純電型插電式混合動力，在電量下降階段都是純電動。因此，問題的關鍵在于電量維持階段的混合動力模式。而在不同的構型中，并聯構型的純電型插電式混合動力相較于串聯構型，具有成本、動力性與經濟性三方面的優點。首先，成本方面，串聯純電型需要兩個電機及驅動減速器；并聯純電型則僅需一個電機并輔以變速器，而傳統的變速器又可以進一步簡化以降低成本。例如，將傳統的雙離合器變速器簡化為單離合器加電機同步調速換擋。因此，在發動機和驅動電機功率相等的情況下，串聯純電型與并聯純電型的成本差取決于串聯系統發電機+驅動減速器的成本與并聯系統變速器的成本之差。其次，動力性方面，并聯純電型在混合動力模式下驅動功率是發動機和驅動電機功率之和，串聯純電型的驅動功率則僅等于驅動電機功率。再者，經濟性方面，在驅動電機與動力電池相同的情況下，兩者的純電動模式驅動效率與制動能量回饋效率沒有差別；而當兩者處于混合動力模式驅動時，在高速公路行駛工況的負荷率較高、工況點較聚集，兩者都可以采用高效的混合動力專用發動機，且將發動機工作點保持在高效區，而串聯需要先由發動機發電、再由電動機驅動車輛；并聯則由發動機直驅輔以電動機驅動，因此混合動力模式下，并聯純電型的驅動效率不低于串聯純電型。不僅如此，目前，以上汽為代表的中國插電式混合動力企業正在探索的低成本并聯純電型插電式混合動力[28]，其成本目標是：購置與使用綜合成本與雙電機常規深度混合動力基本相當，但節能減排效果更好。從而可以與國外常規混合動力的王牌——節油率40%以上的雙電機深度混合動力進行市場競爭，處理我國深度混合動力長期落后于國外的老大難問題。因此，發展成本更優、節能減排效果更好的低成本并聯結構的純電型插電式混合動力汽車是自主混合動力應對國際競爭的一條獨具特色的創新技術路線。

混合動力系統一個無法回避的核心技術是內燃機技術。現有轎車發動機經過多次技術革新已經在節能減排方面具備很高水平。主要問題是我國內燃機技術相對落后。隨著純電型插電式混合動力的發展，發動機的運行工況變化相對收窄，理論上降低了發動機開發難度并更容易采用效率更高和燃料容忍度更大的新技術，例如旋轉式汪克爾發動機、微型燃氣輪機、自由活塞式發動機等。但從國內外多年來的研發歷程和筆者課題組的研究經歷看，要想在性能、成本以及基礎設施配套便利性等全方位超越現有轎車發動機難度很大。總之，混合動力專用發動機不宜定位為長線技術，但想短期獲得顛覆性沖破又面臨重大技術挑戰。因此，當前的主流技術路線依然是在現有轎車發動機基礎上進行繼續地、一點一滴地改進。

混合動力發展需要處理的另一個緊要問題是要怎么樣實現從純燃油動力到混合動力的平滑過渡和純電動動力與混合動力的無縫連接。因此，模塊化與平臺化發展將是主要技術路徑。基于原有的動力系統技術平臺，進行關鍵子系統模塊化組合與替換，向具有更好適應性和可行性的多種動力系統不斷進行技術推進與更迭將是主要的技術路徑。如圖4所示，基于傳統內燃動力平臺，可以發展模塊化并聯式混合動力系統，并逐步演化為并聯純電型插電式混合動力系統。國內一些骨干企業正在踐行這一技術路線。基于純電動平臺，可通過添加傳統內燃機動力源形成串聯純電型插電式混合動力系統，即增程式電動車（通常不是全性能型，而是城市型），進一步可向下兼容串聯式混合動力，進而再通過動力源的模塊化替換可以演化為燃料電池串聯混合動力系統。以日產的技術發展路線為例，日產以其純電動車Leaf為平臺，增加發動機和發電機等模塊后，研發出串聯混合動力汽車NOTE e-POWER，進而以燃料電池系統進行動力源模塊化替換，演化為串聯燃料電池混合動力汽車e-Bio Fuel Cell。

圖4 不同動力平臺發展的技術路線

（文 / 歐陽明高，百人會《中國新能源汽車技術路線的回顧與展望》報告）

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除