电池技术驱动交通电动化

分布式光伏、智能电网、电池储能从无序充电变为有序充电用于电动汽车。

“2009至2018年的10年间，中国新能源汽车产业实现从无到有，目前年产量和保有量均处于全球领先地位。随着跨国汽车企业先后转型新能源汽车，该产业已经达到高潮。”近日，在由爱思唯尔主办的“新能源动力系统与交通电动化”线上研讨会上，中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高为新能源汽车发展提振信心。

电动汽车、电动飞机、电动公交车……这些以清洁电力作为驱动系统的交通工具，其迅猛发展使得环境污染、能源短缺等诸多时代难题得以破解。

不过，交通电动化发展中还将面临哪些挑战？动力系统装置技术瓶颈又该如何破解？诸多问题仍亟待解答。

市场兴旺但难题待解

日前，国际能源署（IEA）发布《全球电动汽车展望2020报告》（以下简称《报告》）。《报告》指出，2019年，全球电动汽车销量同比增长6%，突破210万辆，占全球汽车销量的2.6%；电动汽车保有量增长40%，达到720万辆，占全球汽车保有量的1%。在可持续发展的情境下，预计到2030年全球电动汽车年均增长36%，达到2.45亿辆。

不难看出，全球电动汽车未来市场兴旺，前景可期，国内尤为如此。《报告》同时指出，2019年，中国电动汽车保有量占全球47%，多个城市的公交车已接近或全部电动化；中国继续引领公共充电基础设施的发展，尤其是快速充电基础设施发展处于国际领先位置。而这一切都得益于我国政策引导、技术引领、行业推动等多方面的驱动。

动力电池系统是动力电动化革命的核心技术之一。欧阳明高指出，经过多年研发，中国锂离子动力电池技术已跻身国际前列，其中，锂离子动力电池能量密度提升了两倍以上，成本降低80%以上，真正实现了锂离子动力电池的革命。此外，燃料电池、混合电驱动系统等核心技术也取得了诸多进展。

“充电基础设施是新能源汽车推广应用的重要基础。”中国电力企业联合会标准化管理中心主任刘永东表示，我国完备的充电设施政策体系、充电设施标准体系已基本形成，并先后在直流充电、充电漫游、换电等领域取得重要突破，“中国声音已经成为国际标准的重要一方”。

不过，专家们也坦言，新能源汽车发展虽然态势可喜，但问题依然严峻。

针对新能源汽车3大核心技术，欧阳明高提出3个科学问题，即动力电池热失控导致的安全问题、燃料电池性能衰减导致的寿命问题，以及多能源混合动力系统燃烧导致的排放问题。

在充电基础设施产业发展方面，刘永东指出，单靠充电服务作为主要盈利收入的商业模式远远不能满足当前充电服务重资产特点下的充电服务市场需求。此外，车主充电体验差、充电时间长、充电互联互通不足等问题仍旧存在。充电和电网之间的配合并不十分成熟，特别是老旧小区，建充电桩依然困难。

动力电池是重中之重

“动力电池大多能满足纯电动汽车的要求，但大家比较关注的还是安全性。”欧阳明高说。

影响动力电池安全性的诱因是什么？如何提高安全性？在欧阳明高看来，动力电池热失控就是原因之一。他解释道，热失控的诱因有很多，比如碰撞、短路、过充电、内短路以及过热等引发电池负反应，甚至连锁反应，到一定程度时，温度急剧上升引发热失控。一个单体电池热失控之后，还会在整个电池模块和电池系统中蔓延，最后造成燃烧事故。

欧阳明高团队长期对热失控的发生机理进行研究。他们发现，在不发生内短路的情况下，电池仍会发生热失控，采用新型电解液也会热失控，同时正极是先失氧后释氧。在此基础上，他们开发了相应的热失控抑制技术和软件，并应用于多家企业的产品上。

燃料电池也是电动汽车的动力源之一，它利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下，在燃料电池中经电化学反应产生电能，从而驱动汽车前进。

“功率密度越来越高，耐久性越来越好，功率范围越来越宽，专业分工越来越细，成本下降越来越快，产业链越来越完善。”清华大学教授李建秋用6个“越来越”指出了国内燃料电池系统技术的快速进步。

李建秋表示，燃料电池主要用于商用车，目前国外有数百辆燃料电池客车正在进行示范，国内的燃料电池重型卡车、轻型卡车也处于研发示范中。

在他看来，商用车对燃料电池的性能要求主要有5个方面，耐久性、环境适应性、功率密度和总功率大小、系统的可靠性稳定性以及成本和经济性。而且，各性能之间并不是独立的，而是相互耦合和影响的。

比亚迪股份有限公司动力电池事业部副总经理、研发总监孙华军则从企业研发的角度指出，电池系统的安全正在从被动安全到主动安全，从单体电池的安全逐步升级为系统安全。

被动安全即在电池失效后，有效降低事故危害。而主动安全则是在系统偏离正常状态后且失效前主动调节系统并预警，从而避免事故的发生。

“现阶段，电池系统更多集中在被动安全设计上。随着技术的发展，主动安全也将大量用于电池系统，从而大大提升系统的安全性。”孙华军说。

未来发展融合三大革命

“新能源汽车是交通电动化的领头羊。”欧阳明高指出，从动力电动化出发，持续推进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，电动底盘平台化与车身材料轻量化带来车型多样化和小型化，车型多样化与个性化将促进新能源电动汽车普及化，新能源电动汽车普及化将带动交通全面电动化。

新能源汽车未来将如何发展？欧阳明高表示，要从三大革命高度全面看新能源汽车。即动力电动化（电动车革命）、能源低碳化（新能源革命）和系统智能化（人工智能革命）。

一方面，动力电动化与能源低碳化结合，新能源汽车的规模推广推动新能源革命。在欧阳明高看来，新能源革命的瓶颈之一是储能技术，而储能要靠电池、氢能、电动汽车等来解决，“对于短周期分布式小规模可再生能源储存，以锂离子电池为代表的动力电池是最佳选择”。

另一方面，动力电动化与系统智能化结合形成交通能源互联网，即以电动汽车为核心，把分布式光伏、智能电网、电池储能从无序充电变为有序充电，最后达到车网互动。

“车网互动十分关键。”欧阳明高假设，“如果在2035年我国新能源汽车达1亿辆，那么就有50亿度电用于车上。如果全国轿车都改成电动轿车，那么我们会有150亿度电的需求，相当于现在全国每天消费的总电量，这完全可以平衡大规模风光电等可再生能源，而无需煤电厂发电。”

“动力电动化、能源低碳化、交通智能化三大革命三位一体集成的新能源智能化电动车新时代，才是我们最终的目标。”欧阳明高强调说。