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    清華大學-盧蘭光:《新能源汽車的挑戰和創新思路》

    發布日期:2021-07-20

    核心提示:7月7日,2021中國國際鋰電產業大會(簡稱金磚鋰電論壇)在上海汽車會展中心順利召開。本屆金磚鋰電會議為期兩天,主題為以新技術
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    7月7日,2021中國國際鋰電產業大會(簡稱金磚鋰電論壇)在上海汽車會展中心順利召開。本屆金磚鋰電會議為期兩天,主題為以“新技術、新應用、新發展”為主題,采用“會議論壇+展覽展示+體驗營銷”三位一體的創新模式,多項重點活動同期同地舉辦,充分協同聯動,品牌效應和影響力大幅提升。
     
    清華大學車輛與運載學院副研究員盧蘭光出席論壇并發表主題演講——《新能源汽車的挑戰和創新思路》。
     

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    以下為演講實錄:
     
    下午好!

    首先,感謝組委會的邀請,有這次機會向大家介紹一下在碳中和背景下的思路,還有對新能源汽車的挑戰和我們創新的做法,給大家匯報一下。

    一、背景

    碳中和涉及到我們人類生存了,從2020年就已經有100多個國家出臺了碳中和承諾,多個國家的目標是2050年,我們國家是2060年達到碳中和,比別人晚了十年。

    中央也很重視,所以在兩會的時候,龍洋談兩會,說的也挺好的。“碳交易將對包括新能源汽車在內的所有制造業帶來變革,進一步重構全球制造業。如果到了2060年,中國實現碳中和,意味著巨大的汽車產業鏈將發生翻天覆地的改變。”

    怎么樣看中和?最源頭應該是所有燃料能源都去碳,帶有碳的東西肯定會產生二氧化碳,所以說我們從第一性的原理看問題。

    什么是新能源?沒有碳的能源最大來源是太陽能和風能,可再生能源一般是以電的形式存在的,所以“荷”必須要用電氣化和電動化。

    這是碳中和對我們國家能源的需求,我們大概做了估算,根據國內外文獻,包括需求,我們國家的能源是不是能滿足碳中和的要求,做了一個初步的估計。

    電力需求約15萬億度,其中非化石電力比例大于90%。這樣算起來,非碳能源必須達到13.5萬億度/年。其中,水電裝機5.5億KW,年發電量約2萬億度。核電裝機2.5億KW,年發電量約1.8萬億度。生物質發電裝機1.8億KW,年發電量約0.8萬億度。風電裝機約24億KW,年發電量約5萬億度。光伏裝機約31億KW,年發電量約4萬億度。

    我大概把所有的思路畫成一張圖,大家自己去看。

    二、挑戰和機遇

    可再生能源及負荷時空不匹配,分布嚴重不均,西北豐富、經濟發達的東南匱乏,大規模西電東送能耗損耗大,所以過網費8分錢,還是很高的。

    其次是高比可再生能源波動性,包括瞬時波動、日內波動、季節性波動??稍偕娫葱枰须娏﹄姵刈儞Q,所以需要高電力電子化。因此,可能會帶來整個電網的不穩定性。

    針對上述的時空不匹配問題,要推進高能耗企業西遷,減輕能源的東送壓力,可以改善新能源供需失衡狀態。龍洋在兩會中也提到了,可能未來西部發展很大。

    針對波動性,波動性有三個方面。

    1.大力推廣分布式微網與電網互聯互通。這個地方有光,可能另外一個地方沒有,平均下來是比較平穩的。

    2.突破儲能,波動性要由儲能來解決。

    3.大力發展智能化調度技術,滿足智慧能源需求。

    長周期儲能是氫能,路線基本上不會變,為什么現在制氫很火?就是因為這個大背景。

    短周期的話,基本上就是鋰電為主,這個圖是我根據兩天的光伏算的。初步估計,日間儲能需求約55億KWh。汽車量上去以后,車載的儲能能起到怎樣的作用呢?

    根據我們國家《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的預測,2035年電動汽車保有量將達到1.6億輛,2040年保有量達到3億輛。根據全球能源互聯網發展合作組織預測,2060年我國電動汽車保有量將達到3.9億輛,可以滿足日內的能量削峰填谷。

    電動汽車儲能還有個好處,可以參與一些調頻、虛擬慣量、無功補償等輔助服務。未來V2G的作用很大。

    三、碳中和下的新能源汽車創新

    首先,碳中和下新能源汽車的概念需要重新定義,傳統的汽車定義是四個輪子兩個沙發再加一個車殼,不過傳統汽車產業生命周期還比較完善。

    新能源汽車的定義,百度百科的定義是新能源汽車指采用非常規的車用燃料作為動力源。我們國家把純電動汽車、燃料電池電動汽車、插電式當做新能源車。

    我們從系統的角度想這個定義,我們必須從碳中和背景,從行業融合、全生命周期的角度來分析。新能源汽車應該具有軟件定義的功能,賦能客戶??蛻粝攵x這個汽車,很多是從軟件定義汽車的角度,做智能的人是從這個角度想的,所以加了一個定義。    新能源還有移動屬性,既可以跟電網,也可以跟建筑互聯,V2B、V2X等等都出現了。

    新能源汽車除了動力系統不同外,全生命周期汽車其他部件是一樣的,動力電池的全生命周期研究目前已經成為熱點。

    全生命周期有這么多環節,礦產碳排放占整個電池生產的40%,所以必須要做回收才行。

    新能源汽車性能,剛才王博士也說過,新能源汽車要具備安全性、動力性、耐久性等性能。這些要求主要根源在于動力電池本身的特性帶來的。

    首先是動力電池的安全性,動力電池熱失控事故已經是大家熟知的,特別是充電過程中或滿電后的概率相對較高,我們做了一個故障樹分析。

    熱失控發展過程都是從點到面,從單體到系統蔓延。解決思路要從本征安全、被動安全和主動安全三重防護來解決。

    本征安全方面,首先要從電池組分來研究導致電池熱失控根本原因,有七種組合,要想找到哪種組合是引起電池安全問題是很重要的,所以我們提出了七種測試材料安全,找到副反應的來源。同時,也可以用ARC來測試電芯,獲得電池熱失控的T1、T2、T3等特征。

    總結:普通電解液的NMC333電池250攝氏度前的副反應主要是負極/電解液的反應:250攝氏度正負極串擾是熱失控熱來源的主要方向。

    傳統電解液的高鎳三元NMC811電池,由于正極釋氧與EC反應,正負極串擾首先起主導作用。

    正負極串擾是一個較大問題(固態電池也需要注意)。

    因此,了解電池的熱失控副反應及其反應時序,我們可以針對性的抑制熱失控發生,設計出安全的電池。這是我們做的一些工作,從延緩、抑制和捕捉氧的析出,采用包覆、單晶化、梯度設計、氧吸附等手段。采用新型電解液,防止與正負極反應。還有阻斷正負極串擾,我們可以做一些自聚合功能材料,還有熱穩定隔膜,或者用LLZO固態電解質,有可能把正負極串擾阻斷。

    這是二氧化鈦包覆,把T2提高了。這是用一些化學沉積的方法,也有一些作用,除了二次顆粒表面,單次顆粒也能包覆上。還有鈷的作用也對穩定性有作用。

    這是單晶,單晶和多晶大家都比較清楚了,副反應跟表面積有關系。

    這是我們在電解液上做的一些事,我們做了EC-free電解液,可以把T2提高,所以811電池的安全性有可能提高到532的水平。這是在全電池里的工作,可以把T2的溫度提高80度。

    這是阻斷正負極的串擾措施,我們用聚合的方式可以把T3降下來,可以降兩三百度。

    被動安全,萬一有問題你怎么解決?基于第一性原理,即發生內短路后,阻斷離子和電子的通道,降低短路電流,因此一般措施分兩類:一類是阻斷離子通道的PTC設計,一種是阻斷電子通道的PCT設計。

    從模組的角度,如果有個單體有熱失控,這是避免不了的。必須要從整個模組的角度去做。怎么去設計中間的隔離膜厚度,必須有模型去做設計。我們也開發了一套熱仿真模型,我們突破了大維度的仿真問題,可以把仿真速度提高,很快可以算出來。

    我們也跟伍暉老師一起開發了陶瓷纖維的PCM相變材料,可以吸熱的。所設計的防火墻可以阻隔熱失控蔓延,目前已經獲得應用。

    事前的主動安全,我們提出的云邊端BMS,以第一性原理為基礎,建立電池失效數據庫。像王博士說的AI方法,我們現在也成立了公司叫昇科能源。

    大部分前期突然死亡的都是因為電池缺陷導致的,這也符合產品的生產的浴盆曲線規律。很多失效的東西都是前期比較快,中期比較緩,后期又快起來了。所以如果目前生產的車輛只有一年兩年就出問題,基本上是缺陷導致的,我們也在產線上做了識別工作。

    充電是對于電池安全和耐久性影響最大的場景。從主動安全的角度,我們從整車的角度,不同的電池不一樣,三元、鐵鋰,可用的范圍也是不一樣的。還有析鋰,還有析鋰的檢測,另外一個是內短路缺陷。

    析鋰最重要的是準確觀測負極的電位,因此我們開發了長壽命高精度電位傳感器。目前的問題是這個傳感器壽命不行,精度不行,我們一直在弄,已經干了接近七八年了,已經有了突破。

    這是一些案例,我們用大數據可以提前4天、11天的時間識別出熱失控的問題。還有動力性,特別冬季問題,大家現在也抱怨很多,主要的原因有幾種。冬天很好理解,溫差大,倉內環境問題要20度左右,倉外是零下十幾度,溫差就有三十幾度,夏天溫差小,因此能耗比冬天少,這也是一個原因。

    我今天講的主要是我們做一些創新,冬天怎么把電池加熱起來。因為現在電池加熱的方式很多,有PTC、風冷加熱或者液冷加熱,也有很多用電機來激勵電池加熱?,F在我們也是用電機,但是目前用電機做激勵的時候有個問題,先天性不足。傳統方法是利用電機的電感儲能,并與電池脈沖互動來產熱的,電機電感儲能很少,因此需要較高的互動頻率,導致噪聲問題,同時電感大,太高的頻率,電流反而降低,溫升也不能滿足要求。我們跳出這個框架,如果用兩個電池之間倒騰不是很好嘛,也不受能量限制。我們采用兩個電池模組(或多個電池模組),電機只是作為電池模組間能量轉移的橋梁,類似雙向DCDC,從而避免傳統以電機電感作為儲能所導致的問題。我們現在可以把噪音、溫升這些問題都解決掉了。我們最高可以做到每分鐘溫升8度。

    我們耐久性也做了很多年,耐久性機理已經基本掌握。我們也用大數據,準確預估電池壽命。還有V2G,上海走的還比較靠前。未來有兩個組合,一個是黃金組合,一個是白銀組合。黃金組合是分布式光伏+電池+電動汽車+物聯網+區塊鏈。白銀組合是集中式風電與光伏+氫能+燃料電池汽車+物聯網+區塊鏈。

    謝謝大家!

     
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