1、为促进纯电动汽车产业化的配套新兴产业群,田昭武厦门大学第三届新能源汽车产业化国际论坛,提 纲,一.“难”与“不难”之争论二. 配套汽车动力电源的新兴产业群政府补贴保证用户放心并促进电池厂商 电池采用租赁制和充值卡管理办法大力提高电动公交车出行率五. 大力支持电化学储能核心技术的创新和突破,纯电动汽车跨越到产业化 一.“难”与“不难”之争论,“该”与“不该”之争论已经基本解决。“能”与“不能”之争论还未完全解决！难？核心问题在汽车动力电源！传统汽车已成习惯，电池替换燃油机要达到传统汽车要求的指标，遥遥无期，不能接受！国家“十二五”战略性新兴产业，近期亟需产业化且发展要快，电池改进步伐跟不上！,面
2、对五个具体难关,电池比能量远不如汽油，为续驶里程而多装电池，必须增加车重、增加每公里能耗、增加电池成本和购车成本。充电站网投资大且需时长，先有充电站网才能推动纯电动汽车。纯电动汽车太少又使充电网站闲置亏本。电池充电总不如加油快，快充电则使电池寿命缩短而折旧费更高。,面对五个具体难关,电池高成本使购车费剧增，且寿命不够长，用户担心为电池多次投资。纯电动汽车电池组五种 主要指标（比能量，比功率，寿命，成本和安全）互相牵制。例如，高功率充放电则比能量和循环寿命下降。比能量高的材料遇到成本、资源和安全等问题。展示品可能偏向某一指标而不顾其他，不能对市场起示范作用，市场要求全面。,为什么展示品汽车不能走
3、入大众市场？指标排序不同,展示品指标排序比能量 比功率 循环寿命 安全及环保 成本 ,市场需求指标排序安全及环保 成本 寿命 比能量 比功率 ,多年来的误区电动汽车目标是：蓄电池充电一次里程 300 km。,按电动轿车重 800 kg（不包括电池）且电池比能量100 Wh / kg，能耗120Wh/ton/km,引自“G.Pistoia, Battery Operated Devices and Systems, 2009, p.324 Fig 5.3”,若要求里程300km，则必须多配备 360kg 锂离子电池，对平日市内用车者是多余负担（购车成本和运行成本）。,比能量 （Wh/kg),比功
4、率 （W/kg),1C，1 hour,10C， 6 minutes,100C，36 seconds,典型动力和储能电化学体系性能比较,超级电容,锂离子电池,镍氢电池,铅酸电池,钠硫电池,液流电池,10 kW/kg,锂离子动力电池250Wh/kg，2020,锂离子动力电池当前水平120 Wh/kg， 2010,锂离子动力电池150 Wh/kg，2015,超级电容器,物理所黄学杰作图,市内汽车工况对功率需求的变动频繁且幅度很大蓄电池为脉冲高功率所付出的代价,汽车制动回收能量时脉冲充电功率很高，启动加速时脉冲放电功率很高。比能量 功率型蓄电池比能量更小（只有能量型蓄电池比能量的70%左右）。寿命 强
5、功率充电放电使蓄电池寿命更短。成本 强功率型蓄电池制作成本更高。安全 强功率型蓄电池安全性更差。蓄电池为此更加重了成本、循环寿命、安全性的难题，必须另找蹊径。,锂离子电池,能量密度,功率密度,安全性,成本指标,寿命指标,能量型 功率型双电组合,锂离子电池材料体系,纯电动汽车跨越到产业化 不难！,解决问题的思路：汽车多种用途、多种档次，能先用于市内代步的乘用车和公交车, 市场已经很大。（节能燃油车也须发展，电动汽车不可能完全替代。）把动力电源的现状与市内汽车的动力需求搭配好, 为此带动一系列配套产业群。,过五关 斩六将,市内轿车大多数每日行驶不超过80km，电池按100km需求即可，临时超过里程
6、可用增程式发电机解决。（不同于插电式混合动力汽车）每日电能只需12kWh左右，每夜在停车处或家庭停车库利用市电廉价谷电（9亿度电）充电，无须等待充电网站基础建设。商用车超过80km里程也可用增程式发电机解决。公交车也可在发车站采用机械快速更换充满电的电池（每夜利用电网廉价谷电预先充电，更省油）。,难关1，2，3电池比能量远不如汽油，为续驶里程而多装电池，必须增加车重、增加每公里能耗、增加电池成本和购车成本。充电站网投资大且需时长，先有充电站网才能推动纯电动汽车。纯电动汽车太少又使充电网站闲置亏本。电池充电总不如加油快，快充电则使电池寿命缩短而折旧费更高。,过五关 斩六将,4. 电池采用租赁方式
7、，用户所付租金及充电费总和不超过油费，当前差额暂时由政府补贴给租赁公司。报废电池统一由租赁公司收回，降级使用或交专业厂家回收处理，避免污染环境。,难关4电池高成本使购车费剧增，且寿命不够长，用户担心为电池多次投资。,过五关 斩六将,采用比能量高的能量型电池（取代功率型电池），汽车加速功率由超级电容器提供，从而提高加速性能。制动能量由超级电容器吸纳，既回收能量，减少每公里能耗以延长行驶里程，又保护电池避免受充电冲击，延长电池寿命。纯电动汽车和混合动力汽车都需要。,难关5纯电动汽车电池五种指标（比能量，比功率，寿命，成本和安全）互相牵制。例如，高功率充放电则比能量和循环寿命下降。比能量高的材料遇到
8、成本、资源和安全等问题。,过五关 斩六将,电池组管理科学化 不仅充电放电自动控制在合理范围内，且电池组内单位电池容量不一致性可由电池组主动平衡控制系统予以随时矫正，以强补弱，延长电池组能量，增加续驶里程1/4，并延长寿命。,难关5电池组的安时数和寿命低于单元电池的平均。电动汽车电机需要几百伏特的电池组，由上百个单元电池串联组成，各单元电池强弱不一致，电池组安时数和寿命往往取决于最弱的单元电池。,二.配套汽车动力电源的新兴产业之一,增程式发电机 小型燃油发动机同轴发电机模块，具有噪音低，震动小和效率高的特点，与电池并联驱动电动机。汽车低速运行或停车时发电机依然工作并对电池在线充电， 直至电池充满
9、电后发电机自动停止。燃油发动机功率恒定且远小于传统燃油车发动机，能效高，油耗可省一半左右。续驶里程几百公里取决于油箱容量，或沿途加油。乘用车和商用车都可配搭，市场需求量很大。,杭州赛恩斯增程式电动客车,12m的客车：,配一个1.9升排量的发动机连一个发电机组，补给电能城市电动公交车就能连续运行,电池的容量：100Ah512V长途耗油量：20-22升/100公里节 油 率：大于50%,对比燃油车的耗油量为48升/100公里,区分“增程式电动汽车”与“插电式电动汽车”,节油50%以上的过渡车种,只有电动机向变速箱传动能量故属纯电驱动,电-油两动力混合复杂，价贵,60公里内不用油但用内燃机时耗油率仍
10、高,只有电动机向变速箱传动能量故属纯电驱动,以铅酸电池+电容器为能源（科凌）,城市公交平均速度极少超过50km/h 11m客车的功率仅需 30kw 左右,如果配一个有动态控制功能的30-40kw发电机组， 补给电能，城市电动公交车就能连续运行,可降低电池的用量延长电池寿命节油，约50%,“增程式”电动公交车,城市公交平均速度极少超过50km/h 11m客车的功率仅需 30kw 左右,同规格燃油公交车，在上述工况下 平均百公里油耗则是：50L，45L，40L左右,3、“增程(双充)式”电动公交车,制造成本仅80万元人民币；5万元铅酸电池，配10万元超级电容器百公里油耗：平均时速15km/h 时，
11、不足10L； 平均时速30km/h 时，不足15L； 平均时速50km/h 时，不足19L；,增程式也可用于小轿车,二.配套汽车动力电源的新兴产业群之二,超级电容器 它是长寿命且可大功率充电放电的电化学储能器件，最适合市内频繁变速的机动车辆。它可更有效地回收汽车制动能量，避免回收时高功率充电对电池冲击，延长电池循环寿命。它又可提供汽车加速所需功率，改善短时间加速或爬坡性能。所以可用于纯电动汽车，与能量型电池（其比能量较功率型电池高1/3左右）配合，有效延长续驶里程，并延长电池循环寿命50%至加倍，相当于降低折旧费。若配合铅酸电池，克服其功率和寿命较差的缺点，可大幅度提高以铅酸电池为主要动力的电
12、动汽车。还可以用于混合动力汽车，与燃油发动机配搭；或用于燃料电池电动汽车，与燃料电池配搭。它扮演的角色正好是由城市汽车工况中频繁出现的正负高功率峰值所赋予的。,锂离子电池,能量密度,功率密度,安全性,成本指标,寿命指标,能量型 功率型双电组合,创新思路- 储能于固相或液相？,二、新型超电容,液相活性 固相活性,D电压,电压,水位,零,300伏,蓄电池,新型超电容,已有的超电容对DC/DC要求高,电动机/发电机,400伏,200伏,0伏,新型超级电容器的优势,高功率 以十秒数量级的高倍率充放电。循环性能优异，寿命长 由于充放电时不涉及固相变化，所以循环性能优异，寿命长。有充放电平台，便于与蓄电池
13、匹配。单次充放电能量密度较现有超电容高。资源丰富，容易回收，环境友好。 电化学活性物质选择余地大，可适当选择资源丰富环境友好且容易回收的电化学活性物质。材料和制造成本低廉 结构简单，无需追求巨大表面的电极，也无需固相化成步骤，材料成本和制造成本低廉，降低电动汽车售价。事故安全性 无燃烧爆炸危险。国际首创 国家发明专利（公开号CN1866427A )取得国际发明专利优先权（PCT/CN2007/001155） 。,二、新型超电容,雷博纯电动客车超级电容动力锂电池混合,二.配套汽车动力电源的新兴产业群之三,电池组主动平衡控制系统 克服电池组内串联的许多单电池容量不一致性，以强补弱，延长整个电池组寿
14、命，降低其折旧费，并节约能耗。英飞凌科技公司；上海瑞华集团,二.配套汽车动力电源的新兴产业群之四,电池租赁业和使用充值卡 租赁公司接受用户充值租金和政府补贴，解决用户购车和用车的担心。此方案使电池管理科学化，可避开频繁更换电池之不便。报废的电池可降级作为他用，或统一回收其中资源，避免污染。随着逐年电池质量和寿命提高而折旧费下降和油费涨价，政府补贴可以逐步减少直至取消。（详情见第三节）,二.配套汽车动力电源的新兴产业群之五之六,快速更换电池的机械充电站 充分利用电网谷电充电，可在公交车始发站进行更换，每日一至二次。可使车载电池重量减为1/2 或1/3，节约油耗和能耗。出租车也可能采用，以节约能耗
15、和成本。废旧动力电池的利用和资源回收产业 电动汽车可持续发展的不可缺环节，包含许多科技内涵，必须及早研发。,无论将来电池进步如何以上产业群是长久需要的,三. 政府补贴如何保证用户放心和促进电池厂商上进,政府如果按每千瓦时3000元补贴生产纯电动轿车的企业以降低售价，虽然简单易行，但由于补贴值只与电池容量挂钩而与其寿命无关，极有可能导致两大弊端：价廉物不美的“山寨式”电池泛滥，损害了用户利益并败坏了电动汽车的声誉和前程。注重质量的电池厂商可能因成本较高，反而不受轿车企业欢迎。2. 纯电动轿车企业宁可多装载电池以求多得到政府补贴，虽然续驶里程加长，但所需电池更重。其后果为：a 每公里能耗更大；b
16、电池价格更贵；c 载人空间更小；d 安全性更差。,电动轿车电池采用租赁制和充值卡管理办法,纯电动轿车购车族不仅担心购车投资太高，更担心电池寿命不够长。对策为：租赁制和充值卡管理办法在此制度下，购车费用（不包括电池价格）免税优惠后应不超过同等档次的燃油车。使用中按时按需购买“租赁电池充值卡”（相当于租金），每次充电按充电度数从充值卡扣除相应的金额，直至充值卡内金额将要用尽时，再向租赁公司充值缴纳租金以提高充值卡内的金额，以便继续充电。所支付电池租金加上充电费用总和少于相应的燃油车的油费，电池维修、报废更换都由租赁商负责。,电动轿车电池采用租赁制和充值卡管理办法（续）,4. 每日的下半夜按自动控制
17、充电器预约时间，在停车处自动用电网负荷低谷的廉价电力进行补充充电并由充值卡计价。勿须频繁更换电池，勿须去充电站充电，且对电网有调峰作用，用户与电网两利。也不必耗巨资在市内建设许多充电站或更换电池站。,电动轿车电池采用租赁制和充值卡管理办法（续）,由于电池性能逐步减退，单次充电后可行驶里程逐步缩短，一般在数年后当里程达不到要求时，视为电池寿命终止，可到租赁公司报废并更换新电池和新充值卡。原充值卡充值的累计值，即可衡量所报废电池原先所值，作为与该电池制造商结算的依据。质量不好的电池制造商结算所得较少，自然淘汰。报废的电池可降级作为他用，或统一回收其中资源，避免污染。,电动轿车电池采用租赁制和充值卡
18、管理办法（续）,6. 当前锂离子电池价格过高且寿命不够长，租赁公司从充值卡缴纳租金所得到的总额一般低于电池实际价格，可由政府按全国电池的平均质量和价格暂时补贴差额，以支持租赁公司，也间接支持了电池厂商。随着逐年电池产量迅速增加，质量和寿命提高而折旧费下降和油费涨价，政府补贴可以逐步减少直至取消。,四.大力提高电动公交车出行率 解决城市交通堵塞、城市污染和石油危机,大力提高电动公交车出行率 解决城市交通堵塞。道路、市区空气和燃油都是紧张的资源，必须公平有效地分配。私家车每位乘客的耗油量和污染物排放量远大于公交车每位乘客的，而废气噪声是行人的隐形杀手。私家车每位乘客的占道路面积也远大于公交车每位乘
19、客的。导致交通严重拥堵，也使市内私家车“快速” 的优点荡然无存，而油耗和废气污染剧增！限制城市交通高峰期的私人机动车数量，征收排污费和占道费，以及提高市中心的停车费等措施，在我国目前私家小汽车迅猛发展阶段，尤为迫切。,四.大力提高电动公交车出行率 （续）解决城市交通堵塞、城市污染和石油危机,现有公交车问题是：等车急，上车挤，行车慢。改善普通公交，发展快速公交，成为智能交通系统技术的支持下按照轻轨模式运营的快速交通方式,才能吸引乘客。例如：专用车道和绿灯优先保证行车通畅。车站电子显示预告各班车的实时到达时间。提前刷卡买票。车辆设计方便乘客快速上下车；车厢舒适；车内实时电子显示预告到站时间，等等。
20、,四.大力提高电动公交车出行率（续） 解决城市交通堵塞、城市污染和石油危机,电动公交车以电代油，零排放、低运行成本、更安静，并在汽车刹车或减速时有效地回收动能以节约能源，是最理想的市内公交工具，更体现了快速公交的优越性。立体公交发明者宋有洲提出利用离地面2.2米以上的道路空间，是针对当前道路严重拥堵的思路，有新意且有实用意义。道路投资少而同时形成公交车和小轿车上下两个较快速的专用道。电动汽车的特点在这种公交车传动机构中更显得优越合理。但是还要科技界合作，加强道路智能管理，以解决乘客和路上行人安全，如过斑马线等等问题。,五.大力支持电化学储能核心技术的创新和突破,从长远着眼，动力电池的核心技术是
21、电动汽车产业决定性的因素。在电动汽车产业起步的阶段，必须抓紧并大力支持动力电池核心技术的自主创新和知识产权，包括先进的正负极材料、隔膜、电解质以及生产装备。太阳能和风能急需巨量的固定式的动力电池作为储能调峰以利并入电网。除了锂电池和铅酸电池等系列之外，还应该探索开发新的电池系列。,可移动发动机,生产用电,电网800,水能,太阳能,风能等,居民用电,生物能源,生产/居民就近用电,燃油汽车1.3亿吨油,氢能醇类等化学储能,燃料电池,负荷方,电力单位百万千瓦,9,绿色能源 呼唤 储能产业,能源体系各方关联图,生物柴油？,化工,“弯道超车” 前景辉煌,石油对外依赖度逐年下降了。市区内空气污染下降，蓝天
22、多了。私家车买而少用，多利用快速公交，道路拥堵和停车难缓解了。我国掌握了电动汽车核心技术知识产权，行业利润不会大量外流了。燃油发动机导致的道路噪声下降了。,总 结 前景辉煌,一.配套汽车动力电源的新兴产业群1.增程式发电机 2.超级电容器 3.电池组主动平衡控制 4.电池租赁和充值卡 5.更换电池机械 6.废旧电池利用回收二.政府补贴可以保证用户放心和促进电池厂商电动轿车电池采用租赁制和充值卡管理办法三.促进纯电动汽车产业化 不难！不要再等待！四.大力提高电动公交车出行率 解决市区拥堵五.大力支持电化学储能核心技术创新和突破,谢谢,谢谢！,祝电动汽车产业迅速成长,欢迎批评指正,汽车动力源的特殊
23、要求高功率供能和储能,汽车启动加速所需峰值功率超过平均功率十倍，要求储电设备短时间提供高功率。汽车在制动和下坡时理应回收一部分动能,汽车制动时要求储电设备吸收短时间高功率。每次启动加速和每次制动经历的时间的数量级约为 10 秒，要求储电设备具有快充快放的特性。,2、纯电动公交车的能源模式,2-2 以锂离子电池+电容器为电源（瑞华）,电动车电费：0.7元/km,电源使用寿命目标50万km,电池 2.5吨，电容器0.5吨蓄250kWh，续驶200公里,燃油车油费：2.5元/km,50万km 1.8元/km =90万，不足以补车价需政府补贴,整车190万元, 比燃油车贵 110万！,节费1.8元/k
24、m,电动车的能源模式,我国能源消费量划分（2008年）根据BP世界能源统计2009,总量20.03亿吨： 折算为油当量其中石油 3.76亿吨，18.8% （一半 靠进口）天然气 0.73亿吨，3.6%煤 14.1亿吨， 70.4% （约六成发电、供热）核能 0.155亿吨，0.77%水电 1.32亿吨，6.6%（其他可再生能源 约0.6%，未计入）,可再生能源发电大有可为,中国的水能资源，技术可开采量约为5亿千瓦，经济可开采量约为4亿千瓦。当前水电装机约为1亿千瓦。预期到2020年，在水电建设共约投入10000亿人民币，水电装机达2.5亿千瓦。2010年和2020年，我国风电装机将分别达到35
25、00万千瓦和1.5亿千瓦；太阳能发电装机分别达到100万千瓦和2000万千瓦；核电装机分别达到1050万千瓦和8600万千瓦。到2020年，风电、太阳能发电、核电装机将占电力总装机的16%左右。 根据Dow Jones Venture Source数据，2009年一季度全球风险投资在可再生能源领域的投资金额由上年同期的7.15亿美元骤降至2.77亿美元，降幅达61%，投资项目数量由46个降至24个。但是，这其中投向能源存储技术的资金却达到1.14亿美元，较去年同期增长一倍有余。,能源方储能的必要性与机遇,我国水电、燃气发电等调峰性能优越的电源所占比例低，现有电网接纳风能和太阳能等新能源的能力很
26、弱。储能技术增强了电网调峰和传配电能力，提高能源利用效率，促进了新能源发展，为国家节约巨额投资。 （为应对城市尖峰负荷，电力系统大量投资用于电网和电源后备容量建设，但利用率却非常低。以上海为例，为解决全市每年只有183.25小时的尖峰负荷，仅对电网侧的投资每年都超过200亿元，而为此形成的输配电能力的年平均利用率不到2%。） 美国政府已将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术，今年上半年已拨款20亿美元用于支持包括大规模储能在内的电池技术研发。美国能源部制定的关于智能电网资助计划中，储能技术项目超过了其他所有项目，达19个，资金支持力度也最大。,风能，太阳能，储能系统,电动汽车用电网的
27、电，也须要烧煤排温室气体？,能量效率提高，省能。原油100 加油站83 燃油车13原油100 发电厂36 电力传输34 蓄电池25 电动车18 18 ：13 = 1.42 倍1.3亿吨 / 1.42 = 0.92亿吨，节能 3800万吨 油当量。发电可用核电，风电，太阳能，煤，省油。利用夜间用电低谷时的廉价电能充电。省建储能水库。利用电动车替代燃油车，可降低城市污染（零排放)燃油车分散排污在街道，发电厂集中排污，较易处理。,Long term goals and Criteria,Long term goals for the supercapacitors in HEV applicatio
28、n (DOE) specific power - 1600 W /kgspecific energy - 15 Wh / kgcycle life - 100,000 cycles Criteria for the New SupercapacitorsHigh Rate Charge-discharge Capability? Energy Store Capability ?High Rate Deep Cycle Capability?,1、市内纯电动轿车的能源模式,1-3 以锂离子电池为能源-微型车,2009瑞麒MiEV纯电动汽车 ，13KWh电池组 一次充电续驶里程120-150公里
29、（按100计）,锂离子电池：3000元/kWh，寿命1500次,电池折旧： 26元/次电费：6元（百公里耗电8到10 kWh）运行成本只有 32元/百公里,轿车燃油：46元/百公里 (7L),电动车的能源模式,电动车运行成本 只有燃油轿车的2/3微型纯电动汽车有市场吸引力,观念更新从中国国情出发,要提倡坐车新理念，以节能为荣,大力发展普及车、低速车满足广大用户需求-遮风挡雨的代步工具,微型、小型纯电动车优先发展,理由一 轻、小，耗电少，充电易解决 行百公里微型车耗电6-8度电，小型车10-13度,理由二 结构简单 使用、维修方便、节材节能,理由三 电池少，价格低廉，容易推销,理由四 电池厂风险较小自我发展,
