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清华大学-卢兰光:《新能源汽车的挑战和创新思路》

液压机械 2022-04-11 22:47 0
核心提示:7月7日,2021中国国际锂电产业大会(简称金砖锂电论坛)在上海汽车会展中心顺利召开。本届金砖锂电会议为期两天,主题为以新技术

 

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7月7日,2021中国国际锂电产业大会(简称金砖锂电论坛)在上海汽车会展中心顺利召开。本届金砖锂电会议为期两天,主题为以“新技术、新应用、新发展”为主题,采用“会议论坛+展览展示+体验营销”三位一体的创新模式,多项重点活动同期同地举办,充分协同联动,品牌效应和影响力大幅提升。 清华大学车辆与运载学院副研究员卢兰光出席论坛并发表主题演讲——《新能源汽车的挑战和创新思路》。 

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以下为演讲实录: 下午好!
首先,感谢组委会的邀请,有这次机会向大家介绍一下在碳中和背景下的思路,还有对新能源汽车的挑战和我们创新的做法,给大家汇报一下。
一、背景
碳中和涉及到我们人类生存了,从2020年就已经有100多个国家出台了碳中和承诺,多个国家的目标是2050年,我们国家是2060年达到碳中和,比别人晚了十年。
中央也很重视,所以在两会的时候,龙洋谈两会,说的也挺好的。“碳交易将对包括新能源汽车在内的所有制造业带来变革,进一步重构全球制造业。如果到了2060年,中国实现碳中和,意味着巨大的汽车产业链将发生翻天覆地的改变。”
怎么样看中和?最源头应该是所有燃料能源都去碳,带有碳的东西肯定会产生二氧化碳,所以说我们从第一性的原理看问题。
什么是新能源?没有碳的能源最大来源是太阳能和风能,可再生能源一般是以电的形式存在的,所以“荷”必须要用电气化和电动化。
这是碳中和对我们国家能源的需求,我们大概做了估算,根据国内外文献,包括需求,我们国家的能源是不是能满足碳中和的要求,做了一个初步的估计。
电力需求约15万亿度,其中非化石电力比例大于90%。这样算起来,非碳能源必须达到13.5万亿度/年。其中,水电装机5.5亿KW,年发电量约2万亿度。核电装机2.5亿KW,年发电量约1.8万亿度。生物质发电装机1.8亿KW,年发电量约0.8万亿度。风电装机约24亿KW,年发电量约5万亿度。光伏装机约31亿KW,年发电量约4万亿度。
我大概把所有的思路画成一张图,大家自己去看。
二、挑战和机遇
可再生能源及负荷时空不匹配,分布严重不均,西北丰富、经济发达的东南匮乏,大规模西电东送能耗损耗大,所以过网费8分钱,还是很高的。
其次是高比可再生能源波动性,包括瞬时波动、日内波动、季节性波动。可再生电源需要有电力电池变换,所以需要高电力电子化。因此,可能会带来整个电网的不稳定性。
针对上述的时空不匹配问题,要推进高能耗企业西迁,减轻能源的东送压力,可以改善新能源供需失衡状态。龙洋在两会中也提到了,可能未来西部发展很大。
针对波动性,波动性有三个方面。
1.大力推广分布式微网与电网互联互通。这个地方有光,可能另外一个地方没有,平均下来是比较平稳的。
2.突破储能,波动性要由储能来解决。
3.大力发展智能化调度技术,满足智慧能源需求。
长周期储能是氢能,路线基本上不会变,为什么现在制氢很火?就是因为这个大背景。
短周期的话,基本上就是锂电为主,这个图是我根据两天的光伏算的。初步估计,日间储能需求约55亿KWh。汽车量上去以后,车载的储能能起到怎样的作用呢?
根据我们国家《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的预测,2035年电动汽车保有量将达到1.6亿辆,2040年保有量达到3亿辆。根据全球能源互联网发展合作组织预测,2060年我国电动汽车保有量将达到3.9亿辆,可以满足日内的能量削峰填谷。
电动汽车储能还有个好处,可以参与一些调频、虚拟惯量、无功补偿等辅助服务。未来V2G的作用很大。
三、碳中和下的新能源汽车创新
首先,碳中和下新能源汽车的概念需要重新定义,传统的汽车定义是四个轮子两个沙发再加一个车壳,不过传统汽车产业生命周期还比较完善。
新能源汽车的定义,百度百科的定义是新能源汽车指采用非常规的车用燃料作为动力源。我们国家把纯电动汽车、燃料电池电动汽车、插电式当做新能源车。
我们从系统的角度想这个定义,我们必须从碳中和背景,从行业融合、全生命周期的角度来分析。新能源汽车应该具有软件定义的功能,赋能客户。客户想定义这个汽车,很多是从软件定义汽车的角度,做智能的人是从这个角度想的,所以加了一个定义。    新能源还有移动属性,既可以跟电网,也可以跟建筑互联,V2B、V2X等等都出现了。
新能源汽车除了动力系统不同外,全生命周期汽车其他部件是一样的,动力电池的全生命周期研究目前已经成为热点。
全生命周期有这么多环节,矿产碳排放占整个电池生产的40%,所以必须要做回收才行。
新能源汽车性能,刚才王博士也说过,新能源汽车要具备安全性、动力性、耐久性等性能。这些要求主要根源在于动力电池本身的特性带来的。
首先是动力电池的安全性,动力电池热失控事故已经是大家熟知的,特别是充电过程中或满电后的概率相对较高,我们做了一个故障树分析。
热失控发展过程都是从点到面,从单体到系统蔓延。解决思路要从本征安全、被动安全和主动安全三重防护来解决。
本征安全方面,首先要从电池组分来研究导致电池热失控根本原因,有七种组合,要想找到哪种组合是引起电池安全问题是很重要的,所以我们提出了七种测试材料安全,找到副反应的来源。同时,也可以用ARC来测试电芯,获得电池热失控的T1、T2、T3等特征。
总结:普通电解液的NMC333电池250摄氏度前的副反应主要是负极/电解液的反应:250摄氏度正负极串扰是热失控热来源的主要方向。
传统电解液的高镍三元NMC811电池,由于正极释氧与EC反应,正负极串扰首先起主导作用。
正负极串扰是一个较大问题(固态电池也需要注意)。
因此,了解电池的热失控副反应及其反应时序,我们可以针对性的抑制热失控发生,设计出安全的电池。这是我们做的一些工作,从延缓、抑制和捕捉氧的析出,采用包覆、单晶化、梯度设计、氧吸附等手段。采用新型电解液,防止与正负极反应。还有阻断正负极串扰,我们可以做一些自聚合功能材料,还有热稳定隔膜,或者用LLZO固态电解质,有可能把正负极串扰阻断。
这是二氧化钛包覆,把T2提高了。这是用一些化学沉积的方法,也有一些作用,除了二次颗粒表面,单次颗粒也能包覆上。还有钴的作用也对稳定性有作用。
这是单晶,单晶和多晶大家都比较清楚了,副反应跟表面积有关系。
这是我们在电解液上做的一些事,我们做了EC-free电解液,可以把T2提高,所以811电池的安全性有可能提高到532的水平。这是在全电池里的工作,可以把T2的温度提高80度。
这是阻断正负极的串扰措施,我们用聚合的方式可以把T3降下来,可以降两三百度。
被动安全,万一有问题你怎么解决?基于第一性原理,即发生内短路后,阻断离子和电子的通道,降低短路电流,因此一般措施分两类:一类是阻断离子通道的PTC设计,一种是阻断电子通道的PCT设计。
从模组的角度,如果有个单体有热失控,这是避免不了的。必须要从整个模组的角度去做。怎么去设计中间的隔离膜厚度,必须有模型去做设计。我们也开发了一套热仿真模型,我们突破了大维度的仿真问题,可以把仿真速度提高,很快可以算出来。
我们也跟伍晖老师一起开发了陶瓷纤维的PCM相变材料,可以吸热的。所设计的防火墙可以阻隔热失控蔓延,目前已经获得应用。
事前的主动安全,我们提出的云边端BMS,以第一性原理为基础,建立电池失效数据库。像王博士说的AI方法,我们现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为电池缺陷导致的,这也符合产品的生产的浴盆曲线规律。很多失效的东西都是前期比较快,中期比较缓,后期又快起来了。所以如果目前生产的车辆只有一年两年就出问题,基本上是缺陷导致的,我们也在产线上做了识别工作。
充电是对于电池安全和耐久性影响最大的场景。从主动安全的角度,我们从整车的角度,不同的电池不一样,三元、铁锂,可用的范围也是不一样的。还有析锂,还有析锂的检测,另外一个是内短路缺陷。
析锂最重要的是准确观测负极的电位,因此我们开发了长寿命高精度电位传感器。目前的问题是这个传感器寿命不行,精度不行,我们一直在弄,已经干了接近七八年了,已经有了突破。
这是一些案例,我们用大数据可以提前4天、11天的时间识别出热失控的问题。还有动力性,特别冬季问题,大家现在也抱怨很多,主要的原因有几种。冬天很好理解,温差大,仓内环境问题要20度左右,仓外是零下十几度,温差就有三十几度,夏天温差小,因此能耗比冬天少,这也是一个原因。
我今天讲的主要是我们做一些创新,冬天怎么把电池加热起来。因为现在电池加热的方式很多,有PTC、风冷加热或者液冷加热,也有很多用电机来激励电池加热。现在我们也是用电机,但是目前用电机做激励的时候有个问题,先天性不足。传统方法是利用电机的电感储能,并与电池脉冲互动来产热的,电机电感储能很少,因此需要较高的互动频率,导致噪声问题,同时电感大,太高的频率,电流反而降低,温升也不能满足要求。我们跳出这个框架,如果用两个电池之间倒腾不是很好嘛,也不受能量限制。我们采用两个电池模组(或多个电池模组),电机只是作为电池模组间能量转移的桥梁,类似双向DCDC,从而避免传统以电机电感作为储能所导致的问题。我们现在可以把噪音、温升这些问题都解决掉了。我们最高可以做到每分钟温升8度。
我们耐久性也做了很多年,耐久性机理已经基本掌握。我们也用大数据,准确预估电池寿命。还有V2G,上海走的还比较靠前。未来有两个组合,一个是黄金组合,一个是白银组合。黄金组合是分布式光伏+电池+电动汽车+物联网+区块链。白银组合是集中式风电与光伏+氢能+燃料电池汽车+物联网+区块链。
谢谢大家!


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