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中国新能源汽车技术战略选择与实施

2019-01-31来源:新能源汽车网

  我国新能源汽车技术路线经历了四个发展阶段,2003年-2005 年:国家中长期科技发展规划确立了节能与新能源汽车战略(低能耗与新能源汽车);2009年-2012年:科技部与工信部发展规划确立了“纯电驱动”技术转型战略;2014年:发展新能源汽车受到中央领导核心的重视,习近平总书记亲自确立了发展新能源汽车的汽车强国战略,开启了中国新能源汽车产业化新阶段;2018年11月:全国政协召开“促进新能源汽车产业健康发展”双周座谈会,一些委员建议研究制定面向 2035年新能源汽车发展战略规划,尽快明确分类别、分地区的禁售燃油车时间表,稳定产业发展预期,开启了新一轮战略讨论的序幕。

  中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高以亲历者身份回顾和展望了中国新能源汽车技术路线的探索、实践与创新过程,希望能够对新能源汽车下一步发展战略的制定提供参考。本文是从作者即将由科学出版社出版的专著《汽车动力系统学——电控发动机系统、动力电池系统、燃料电池系统、混合动力系统》第一章:节能与新能源动力系统概论部分内容改写而成。力图用尽可能通俗的语言,厘清与发展战略和技术路线相关的发展理念、技术概念、论证逻辑、演变脉络等,以便相关讨论能够在相互理解的思维方式和话语体系中顺利展开,促进我国新能源汽车更好更快发展,早日实现汽车强国目标。

  中国新能源汽车技术战略选择与实施

  1. 中国新能源汽车技术战略选择研究

  2001年,经过部门领导、行业专家、公司代表的论证,基于对电动汽车在科技制高点的重要地位及中国汽车自主创新的共同认识,科技部启动了《电动汽车重大专项》战略规划研究,这是中国新能源汽车技术战略的始点。

  为了探索中国节能与新能源汽车技术路径,笔者及其团队以车用能源系统为方向开展了长期基础研究,先后完成了国家自然科学基金、科技部科技计划项目(863、科技支撑、国际合作),重点研究了汽车保有量与能源需求、燃料全生命周期能效与排放、车辆出行特征数据库构建与利用等研究任务。取得了“基于复杂多变宏观条件和车辆存活规律的中长期汽车保有量与能源需求分析模型”、“基于全生命周期物质流与能量流跟踪的我国氢能流动图谱”、“基于GPS的车辆出行特征与插电式混合动力汽车能耗评价”等成果。以基础研究为支撑,参与了一系列国家战略研究与科技规划工作并代表中国参加了联合国气候变化专门委员会IPCC第5次评估报告交通领域分报告撰写工作。

  2003年,在《国家中长期科技规划战略研究》中笔者首次提出发展节能与新能源汽车的“过渡”和“转型”并行互动的双重战略思路,如图1所示,即优化现有的车用能源动力系统,发展节能汽车;同时,开发新一代车用能源动力系统,发展新能源汽车,最终实现可持续发展的汽车能源动力的目标。2005年,该思路的具体建议被吸收在国家中长期科学与技术发展规划的优先主题-低能耗与新能源汽车和前沿技术-氢能与燃料电池中。


图1 节能与新能源汽车发展双重战略

  要实现以上双重战略,需要通过三条技术路径,如图2所示。


图2 车用能源动力系统的三条基本路径

  第一条技术路径是液体燃料发展路线。发展先进内燃机技术,从而发展混合动力和可外接充电的混合动力;第二条技术路径是气体燃料发展路线。从天然气内燃机技术到燃料电池发动机,从燃气混合动力发展到氢能燃料电池汽车;第三条技术路线是电能源技术路线。发展电池/电机驱动系统,从而发展包括增程式在内的融合可再生能源发电的纯电动汽车。三条技术路线的能耗与排放比较(以家用中级轿车为例)见图3,从中可以看出:从碳排放和能源消耗的角度看,纯电动和燃料电池技术路线明显优于内燃机和常规混合动力技术路线。而燃料电池和纯电动技术路线的比较则取决于一次能源的来源。当一次能源为天然气时,燃料电池汽车效率高于纯电动汽车,而当一次能源为可再生能源时,纯电动的效率显著优于燃料电池汽车。而且,燃料电池汽车和纯电动汽车的碳排放也大大低于内燃机汽车和常规混合动力汽车。只有基于可再生能源,才能实现近零碳排放。


(上图)欧洲情景下各类轿车动力油井到车轮能量消耗与碳排放


(下图)中国情景下各类轿车动力油井到车轮能量消耗与碳排放

图3 三条技术路线的能耗与排放比较

  以上三条技术路线中,纯电动汽车动力系统相对是比较简单的,混合动力系统更为复杂一些,燃料电池动力系统最为复杂。尽管其有很大差别,但这些动力系统具有共性核心技术,包括发动机、动力电池、电机驱动、和燃料电池发动机等,如图4所示。因此,新能源汽车国家研发的核心目标就是建立新能源动力系统共性核心技术平台,为企业开发各类产品提供技术支撑。


图4 新能源汽车动力系统共性技术平台

  上述思路是节能与新能源汽车研发的基础共性原则。但是,如何形成中国新能源汽车产业竞争优势,还需要从中国国情和中国特色中探索中国新能源汽车独特的产业化发展道路。

  笔者针对中国交通构成情况开展了深入的研究,提出了中国交通体系的“点—线—面”模型。所谓“点”代表北京、上海等一线大城市,所谓“线”代表这些一线大城市之间相距200-300公里以上的线路,如京沪高速等,所谓“面”就是广大的三四线城市、城镇和中小农村。在“点”上,中国的新能源城市公交车在全球遥遥领先,到2017年底保有量已经达到26万辆,当年市场份额超过70%,全球占比超过90%,交通部规划目标是2020年公交车将基本实现电动化;在“线”上,我国高铁的覆盖里程和应用数量居世界第一位,截至2017年底,我国高速铁路运营设计速度最高为350-380公里/小时,运营里程达2.5万公里,约为世界高速铁路运营总里程的2/3,2020年还将继续增建2.3万公里;在“面”上,中国的电动自行车和电动摩托车(包括两轮车、三轮车)等小型个人电动交通工具的保有量居全球首位,截至2017年底,中国轻型电动车(电动两轮、电动三轮)保有量已经超过2.5亿辆,占全球90%以上。以上分析表明中国已经形成电气化交通的总体特色和优势。中国新能源汽车尤其是新能源乘用车的发展应当与中国电气化交通体系相适应。以此为基础,发展形成中国新能源汽车的总体竞争优势。

  在上述理念指导下,笔者提出了一系列战略建议。2009年3月,笔者在全国“两会”政协联组会上向胡锦涛总书记汇报了新能源汽车的发展情况,胡锦涛总书记明确指出:新能源汽车代表了汽车工业的发展方向。笔者随后在政协全体大会上发言:“抓住新能源汽车战略机遇,促进我国交通能源转型与汽车产业振兴”,并提出三点建议:以锂动力电池为重点,掌握自主核心技术;以小型纯电动轿车为重点,推进自主品牌新能源汽车大规模商业化;以电动汽车标准法规为重点,建立自主产业政策体系。2009年8月,在《北戴河电动汽车战略研讨会》上,笔者代表国家863《节能与新能源汽车》重大项目总体专家组向中央领导汇报了我国纯电动汽车发展的若干关键问题。认为在国际汽车业“转移”与“转型”的大背景下,电动汽车将成为中国汽车产业从大国向强国转型的最佳选择;在中国特色以煤为主的能源结构下,汽车动力系统电动化将是煤基能源交通应用的最佳方式;在能源可持续发展的前景下,汽车电动化将是新能源、可再生能源的最佳组合。并提出三点建议:在技术方面,动力电池的技术突破仍然需要国家给与科技专项支持,组织全行业产学研资源进行技术攻关;在产业方面:电动汽车仍然处于产业化的初期阶段,需要政府给予科技和产业专项支持;在政策方面:需要国家对汽车产业的发展,尤其是纯电动汽车领域有可能实现的超越,在产业政策规划上给与支持。2009年9月笔者在国务院战略性新兴产业专家座谈会发言中又建议:电动汽车可以按照动力电气化水平分为两大类:一类是电气化程度较低,由内燃机提供绝大部分驱动功率的常规混合动力;另一类是动力电池容量较大、具有纯电驱动功能的电动汽车,例如插电式电动汽车、纯电动汽车、增程式电动汽车以及电-电混合燃料电池汽车等。从培育新兴战略产业的角度看,这类电气化程度比较高的电动汽车是新能源汽车的发展方向和重中之重。要在坚持节能与新能源汽车“过渡与转型”并行互动、共同发展的总体原则指导下,进一步确立汽车动力电气化技术转型战略,重点发展电气化程度高的电动汽车。建议在5-10年内实施“两头挤”的市场推进战略,即在城市公共交通用车和私人小型乘用车上优先发展电动汽车,启动大规模市场。然后滚动发展,逐步挤占中高档乘用车这一市场空间。

  2010年-2012年,国家863《节能与新能源汽车》总体专家组承担了科技部“十二五”电动汽车科技发展规划任务,进一步研究了“纯电驱动”技术转型战略的具体思路和实施方案。2012年3月,科技部正式发布《电动汽车科技发展规划》,明确提出:从培育战略性新兴产业的角度看,发展电气化程度比较高的“纯电驱动”电动汽车是新能源汽车的发展方向和重中之重(“纯电驱动”电动汽车包括:纯电动汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车以及电-电混合燃料电池电动汽车)。电动汽车科技发展“十二五”专项规划目标定位是:全面推行“纯电驱动”技术转型战略,通过科技创新支撑汽车产业新型动力系统自主开发。随后工信部发布《节能与新能源汽车产业发展规划2012-2020》,再次重申实施“纯电驱动”技术转型战略。从近年来战略实施的实践看,所谓“纯电驱动”技术转型战略就是在常规的混合动力和纯电驱动动力系统之间选择后者作为发展新能源汽车产业化率先推进的战略突破口,率先实现纯电驱动汽车,尤其是纯电动和插电式混合动力汽车大规模产业化,带动动力电池等核心技术发展,形成具有技术竞争力的动力电池产业,并以纯电动力系统为基础平台,带动燃料电池汽车和混合动力汽车的全面发展,形成我国节能与新能源汽车的总体竞争优势。

  2014年,在技术选择的基础上,新能源汽车发展战略正式上升为国家战略的政治选择。这一年,习近平总书记发出号召:“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”。这不仅正式确立了发展新能源汽车的国家战略,而且把发展新能源汽车上升为汽车强国战略。在此基础上,中央各部委响应习近平总书记号召发布了一系列对新能源汽车的鼓励政策,开启了实施新能源汽车强国战略,推进新能源汽车产业化的新阶段。

  2. 中国新能源汽车战略实施与国家研发历程

  “十五”是我国新能源汽车打基础的阶段。“十五”《电动汽车》重大科技专项确立了“三纵三横”矩阵式技术研发体系(“三纵”:燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车;“三横”:电池、电机和电控),如图5所示。


图5 “十五”国家《电动汽车》重大科技专项布局

  “十一五”是我国新能源汽车从打基础到示范考核的阶段,开展了863《节能与新能源汽车》重大项目,如图6所示。在2008年北京奥运会期间,参与重大项目的各个单位在科技部统一领导、总体专家组技术协调下,成功进行了北京奥运新能源汽车科技示范工程,共有500辆各类电动汽车(纯电动、混合动力、燃料电池)投入示范运行。在此基础上,“十一五”863《节能与新能源汽车》重大项目总体专家组又提出了“十城千辆”示范工程的初步建议,并经过科技部等五部委领导决策,于2009年正式启动了“十城千辆”示范工程。


图6 “十一五”863《节能与新能源汽车》重大项目布局

  “十二五”是新能源汽车从示范考核进入产业化的关键阶段。开展了“十二五”《电动汽车》重大专项。在研发布局上,以「三纵三横」为基础,进一步强化纯电驱动技术转型。「三纵」方面,纯电动汽车、插电式混合动力汽车作为纯电驱动汽车的基本类型归为一个大类;燃料电池汽车作为纯电驱动汽车的特殊类型继续独立作为一「纵」;混合动力汽车则主要为常规混合动力汽车。在「三横」方面,电池包括动力电池和燃料电池;电机包括电机系统及其与发动机、变速箱总成一体化技术等;电控包括电转向、电空调、电制动等在内的电动汽车电附件与电子控制系统技术。同时,为了适应从科技研发向产业化转型的需求,增加了标准检测、能源供给、集成示范等三大支撑平台的开发,从而形成了以「三横三纵三大平台」为战略重点的研发布局(图7)。在组织实施上,根据「三纵」(混合动力、纯电驱动、燃料电池)技术发展的不同阶段,分别以「产业链」、「价值链」、「技术链」为纽带,建立「三纵三链」技术创新联盟开展研发活动。


图7 “十二五”863《电动汽车》重大专项布局

  “十三五”国家重点研发计划《新能源汽车》重点专项是在新能源汽车进入产业化后,实施新能源汽车技术升级战略的重大科技行动计划。面对全球汽车智能化新趋势,“十三五”国家重点研发计划新能源汽车重点专项进一步将攻关目标升级为建立新能源智能化电动汽车技术平台。技术上强调动力深度电气化、车身底盘轻量化、整车智能网联化。其中,三“电”核心技术的内涵进一步丰富,“电池”更加强调电池系统、“电机”更加强调电力电子、“电控”则更新为电动汽车智能化技术。同时,按照全创新链设计原则将新能源汽车重点专项的总体布局划分为基础科学问题、共性核心技术、动力系统技术、集成开发与示范等4个层次。每层有3个模块:三大基础科学问题;「三横」共性核心技术;「三纵」动力系统技术;面向集成开发与示范的三大支撑平台(图8)。将上述12个模块通过串并联组合形成从基础研究、重大共性关键技术攻关到应用示范的全链条贯穿的6个创新链条(动力电池与电池管理、电机驱动与电力电子、电动汽车智能化技术、燃料电池动力系统、插电/增程式混合动力系统和纯电动力系统),共部署39个重点任务。


图8“十三五”国家重点研发计划《新能源汽车》重点专项研发布局

  在国家科技研发计划的带动下,中国新能源汽车研发与示范考核全面展开,形成了中国汽车工业历史上规模空前的技术创新运动。

  3. 中国新能源汽车技术战略实施效果

  经过几个五年计划的研发,中国新能源汽车技术取得重大突破。核心技术方面,以锂离子电池为例,从2011年到2017年,7年间锂离子电池比能量提升了近1倍,规模装车应用的动力电池系统比能量接近160瓦时/公斤,单体比能量接近250瓦时/公斤;价格下降了1倍多,三元锂离子电池单体价格达到1.2元/瓦时,磷酸铁锂单体价格达到0.7元/瓦时(接近与燃油车性价比竞争的平衡点);建成全球产业链最全、规模最大的动力电池产业,动力电池总体水平稳居世界前三位。系统集成技术方面,普通纯电动乘用车平均续驶里程,从刚开始的150公里普遍提升到300公里以上,以比亚迪全新一代唐、上汽荣威MARVELX等车型为代表的国产新能源汽车技术和品质全面逼近国际顶级车型;纯电驱动商用车总体技术水平在全球处于领先地位,产品规模出口。我国燃料电池汽车尤其是燃料电池商用车技术也取得重大进展,在燃料电池与动力电池混合动力系统集成技术等方面创造了中国技术特色与优势。燃料电池汽车也正式开始商业化,2017年底燃料电池汽车保有量超过1千辆,加氢站12座。

  2011年到2017年间,中国新能源汽车的年产量从不足5千辆发展到80万辆,保有量从1万辆提升到180万辆,均占全球的50%以上,处于领先地位,如图9所示。2018年产量超过了100万辆。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。2017年国际著名咨询公司罗兰贝格发布第三方评价:从市场、行业、技术三个方面来看,中国新能源汽车总体发展指数排名全球第一。2018年,习近平总书记在两院院士大会上指出:在着力引领产业向中高端迈进方面,新能源汽车与第三代核电“华龙一号”、掘进装备等跻身世界前列。


图9 中国新能源汽车市场化发展历程

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