我国纯电动汽车发展路线图的研究

2019-05-14 10:54:23·  来源:EDC电驱未来  作者:庄幸
   
众所周知,在应对全球能源安全、金融危机和气候变化的大环境下,发展电动汽车已成为各国节能减排的重要措施之一。我国政府十分重视清洁能源汽车的发展,将发展电动汽车作为减少石油依赖、降低环境污染、控制温室气体排放的有效措施。与此
众所周知,在应对全球能源安全、金融危机和气候变化的大环境下,发展电动汽车已成为各国节能减排的重要措施之一。我国政府十分重视清洁能源汽车的发展,将发展电动汽车作为减少石油依赖、降低环境污染、控制温室气体排放的有效措施。与此同时,发展电动汽车还将作为我国培育后金融危机时代新的经济增长点和新兴产业的最佳选择。由此可见,电动汽车在我国具有很好的发展前景,但目前也面临着诸多发展障碍有待克服。因此,我国电动汽车的发展需要探索有效的市场化发展之路,要求政府在摸清制约电动汽车发展的主要障碍基础上,制定规划和政策措施,推进其尽快规模化发展。本文中针对上述需求,以纯电动轿车为对象,围绕我国电动汽车发展的路线图问题展开探索性研究。

国内外关于电动汽车的研究,伴随着电动汽车技术的发展而层出不穷。尽管来自研究机构、大专院校、咨询机构和企业界的研究主题和关注点各有侧重,但对我国电动汽车技术路线图的研究很少,从技术层面和政策层面,系统地分析和探索我国电动汽车技术发展路径的研究更是缺乏。本文中通过对现有研究成果回顾和调研方式,加深了对电动汽车发展现实问题的理解。在此基础上,针对影响电动汽车发展的主要制约因素进行分析,探寻我国纯电动轿车的未来发展路径、展现预期情景、预估发展目标和明确政策需求,最终提出我国电动汽车未来发展的路线图。为政府部门制定电动汽车产业中长期发展战略提供依据。

1 研究方法

近10年来,技术路线图作为一种战略规划预见方法得到了广泛的应用。很多国家都将技术路线图方法用于本国科学研究、技术发展规划和国家战略政策的制定。目前对技术路线图并没有一个标准的定义,主要是因为技术路线图已成为实践的工具,根据不同的使用者而有各不相同的表现形式。国际上常用的技术路线图绘制模式包括3种,即自上而下模式、自下而上模式和双向结合的组合模式。本文中采用的是自下而上分析方法,该方法概述如下。

(1)较全面地阅读和回顾了大量与电动汽车技术相关的文献和研究成果,为综合分析国内外电动汽车技术的发展水平和特点、评价面临的机遇与挑战、明确电动汽车发展的政策环境打下基础,并在研究方法、内容和范围等方面形成了初步的框架。更为重要的是,通过对前人研究成果的分析和评价,明确本研究的创新点和研究重点,以利于更好地把握研究的方向性、时效性、深入性和创新性。

(2)对影响我国电动汽车技术发展的主要制约因素进行分析,对电池技术发展途径、充电设施技术发展途径和电动汽车与电池成本下降潜力等因素进行分析和预计。在分析过程中贯穿了专家访谈、实地调研和组织专家座谈会等多种形式的调查研究,与国内外22个机构的30名业内专家进行深入的咨询和讨论,汇集了中外专家学者和企业研发人员对电动汽车未来发展趋势的认识和经验判断,使研究能基于上述重要信息之上进行梳理、总结、归纳和分析,直至提炼出研究结论。

(3)利用我国综合政策评价模型(IPAC)中的能源技术评价子模型(IPAC-AIM),在考虑我国未来低碳发展的大背景下,估计我国未来电动汽车的市场规模和发展目标。

(4)利用路线图方法,描述我国电动汽车技术的发展路径,并根据实现其技术路径的需求,明确相应的促进政策(包括投资优惠、补贴、减免税和标准等),最终形成不同发展阶段的政策路线图。绘制电动汽车发展路线图的框架结构包括时间线、组成要素、技术选择、节点链接和优先度等内容。

2 发展现状和面临问题

纯电动轿车由动力电池、电机和电控系统三大关键部件组成,其中电池是电动汽车的核心技术。锂离子动力电池由于其在安全性和寿命等性能方面的优势,将成为未来动力电池的发展方向。

目前全球的电动汽车正处于示范应用阶段,电动汽车多以集团化公共服务车的形式,在适合其运行特点的应用领域开展示范活动。各国电力公司已积极投入到充电站建设和电池回收利用的推广活动中。锂离子动力电池技术的研发已成为全球各大公司合作和竞争的焦点,日本锂电池供应商在全球市场中占有优势地位。我国电动汽车也处于研发和示范阶段,目前已有多款自主品牌的电动汽车产品研发成功,纯电动轿车和客车的样车已经完成,有些已在公交线路上试运行。国内排名前10位的整车企业主要以研发和生产插电式混合动力汽车为主;我国纯电动汽车产业化推进联盟和东风日产与浙江众泰汽车等企业,主要以研发和生产更换电池式纯电动汽车为主。我国是锂离子电池生产大国,锂离子动力电池已形成一批具有产业化生产能力的企业。为促进电动汽车快速发展,国内已形成了电动汽车技术创新体系和机制,建立了纯电动汽车研发的国家技术标准平台、测试检验平台、政策法规平台和示范应用平台。已颁布了35项国家标准,其中包括纯电动汽车与电池的制造标准和充电设施建设标准。

我国汽车工业与国外相比基础薄弱,这给电动汽车发展带来很大挑战。我国电动汽车发展面临的主要问题有:(1)动力电池的能量密度和功率密度低,电池管理系统水平与国外先进水平有差距;(2)电机能源效率、控制精度和可靠性等方面仍落后于国际先进水平,电控系统中的某些关键部件仍依赖进口;(3)国内充电设施建设刚刚开始,面临着投资规模大、经济性差、以及充电接口和电池标准化等问题;(4)我国电动汽车企业的自主研发受到知识产权问题的困扰;(5)高昂的电池成本导致电动汽车价格高于同等配置汽油车的两倍甚至更高,而且电池作废后的更换又增加了很大的使用成本,严重抑制了电动汽车的推广应用。除此之外,电动汽车技术标准和鼓励政策滞后也在一定程度上制约了我国电动汽车的发展。解决上述问题和障碍的措施均离不开政府的促进政策。

3 主要制约因素及其变化趋势分析

目前,我国电动汽车发展仍不具备大规模推广应用的条件,电池技术、电动汽车成本和充电设施建设构成了制约我国电动汽车发展的关键因素。

3.1 锂离子动力电池技术发展路径分析

通过调查方式,收集了大量中外企业电动汽车和锂离子动力电池的各项性能参数,进行归纳和比较,充分利用国内外的研究结论,参照日本、美国等国家提出的锂离子动力电池的发展目标,结合考虑我国的技术现状和发展水平,形成我国锂离子动力电池技术未来的发展路径,见表1。

按当今汽油车的能量最低值水平作为电动汽车真正满足产业化的条件,则电动汽车的电池容量至少需要75kW·h ,而且电池要轻,成本要小于等于100美元/(kW·h),并具有较高的安全性和可靠性,电池快速充电时间应接近加油时间等等。从我国电池技术发展路径上看,满足上述要求的电池性能指标将在2020-2025年间实现。在此期间,我国电池技术将步入成熟期,电动汽车也将进入大规模推广应用阶段。

表1 我国锂离子动力电池技术发展路径

3.2 充电设施发展路径分析

充电系统是电动汽车产业链中的重要环节,服务于广大电动汽车用户的社会化充电设施网络建设,是促进电动汽车规模化发展的必要支撑条件。我国从2009年才开始进行充电设施建设,目前正处于建设初期,面临着投资规模大、经济性差和充电接口与电池标准化等问题。一般的充电方式有3种:常规充电方式、快速充电方式和更换电池式充电方式(也称租赁电池模式)。

对3种充电方式优劣势比较分析的结果显示,更换电池模式比其它两种模式具有较大优势,这是由于它更贴近于当今“加油站”式的商业化供给模式,并能间接地解决电动汽车销售价格高(电池租赁)、续航里程短和充电时间长等问题,还能解决电池二次利用问题,对城市电网的影响也可以降到最小。但其实现难度也是最大的。国内更换电池式充电站建设表明,即使不考虑土地费用,建设一个为50辆电动公交车提供换电池服务的更换电池充电站(不含电池),总投资高达3 900万元(北京奥运公交充电站调研)。也有研究显示,即使在规模化运营情况下,一个由电力企业主导建设的充电站,投资收益率为6% ~7%,而由非电力企业主导建设的纯商业化运营的充电站,投资收益率仅有3% ~4%。另外,由于更换电池模式涉及到电池标准化问题,而电池标准化又牵涉着电动汽车产业的方方面面。目前的更换电池式充电站适合服务于公交系统,常规充电模式推广需要大量投资于社区和公共场所的电力设施改造;快速充电技术还有待成熟。

我国充电技术的未来发展情景和路径见表2。在近期的1~2年中,初步形成一个以常规充电为主的充电设施基础。在未来的8~10年中,电动汽车技术性能不断提高、从而对充电站建设提出更高需求。充电设施系统将逐步完善成以常规充电为主,快充和更换电池充电为辅的充电系统。在远期(2020-2030年),形成较完善的充电网络系统,按电动汽车单次充电的行驶里程考虑布局和建设充电系统,为千万辆级规模的电动汽车市场提供充电服务。更多的企业将参与充电系统建设和运营,如可由电网公司和节能服务公司等企业联合投资建设和运营。很多先进的充电技术将不断成熟和应用,如充电设施的集中管控技术、先进电网通信技术和电动汽车与电网间的智能交互连接技术等,届时先进技术使电动汽车既成为电网的友好型用电负荷,又可作为特殊电源,即在用电低谷时对电动汽车充电,达到增加用电负荷的作用;在用电高峰时要求电动汽车停止充电或向电网放电,达到调峰和维护系统平衡的目的。除此之外,太阳能充电站和移动式充电方式也将在我国充电系统中占有一定市场。

表2 我国电动汽车充电系统建设的未来发展情景和路径

3.3 电动汽车与先进内燃机汽车成本变化趋势分析

在电动汽车生产成本构成中,电池成本(包括电池管理系统)约占1/2。另外,由于电池使用寿命有限,中途更换电池将进一步增加电动汽车的使用成本,大大降低其经济性。在电池制造成本构成中,电池单元成本占34%~40%,电池单元经过组装后的电池组成本占到66% ~82%,并且电池成本中约70%的成本可受益于规模效应。目前,三菱电动汽车“i-MiEV”的价格为30万元,单位电池成本为600~750美元/(kW·h),由此可见,目前的电动汽车极为缺乏市场竞争力。随着电池性能和生产规模的增加,其成本将会显著下降。按照日本专家的预测,到2015、2025和2030年,动力电池成本将分别下降到375、107 和75 美元/(kW·h)。
表3为电动汽车与先进内燃机汽车全寿期使用成本变化趋势分析。由表可见两种车型使用成本有如下特点。

(1)未来两种车型的使用成本都呈下降趋势,但是电动汽车的成本下降速率(7.4%)远高于先进内燃机汽车(0.9%)。

表3 电动汽车与先进内燃机汽车全寿期使用成本变化趋势分析

(2)在未来很长一段时间内,电动汽车全寿期内的使用成本一直远高于先进内燃机汽车的燃料使用成本。随着电池技术的不断成熟,电池寿命迅速提高,当电池寿命与汽车寿命接近时(2020年前后),电动汽车在全寿期内的使用成本将低于先进内燃机汽车的燃料成本,这预示电动汽车在2020年前后将体现出其经济性,基本具备大规模推广的条件。

(3)目前车用电池的成本在8万元左右,电池技术进步使车用电池成本呈下降趋势,从而使电动汽车在全寿期内的使用总成本迅速下降,从2015年的26.6万元降低到2020年和2030年的15万元和8.5万元。由此判断,2020年后,电动汽车有望成为我国普通消费者寻求实惠的选择。

4 结论和建议

4.1 我国低碳发展情景下的纯电动轿车发展技术路线图

我国低碳发展情景是指一种在保障国内社会经济发展水平和环境需求条件下,通过实施强化技术进步、调整产业结构和消费方式等政策措施后,所能实现的一种节能减排发展情景。利用我国综合政策评价模型(IPAC)中的能源技术评价子模型(IPACAIM),在考虑我国未来低碳发展的经济、能源和环境大背景下,明确未来的电动汽车发展目标。在低碳发展情景中,全国汽车拥有量将迅速增加,2020年和2030年将分别接近3亿辆和4亿辆,其中轿车拥有量将分别达到1.6亿辆和3.5亿辆。低碳交通发展情景要求轿车的结构发生很大变化,普通汽柴油轿车占比从目前的61%逐步减少到2030年的2%;先进的低能耗汽柴油轿车占比从目前的37%提高到2030年的47%;混合动力轿车占比从目前的很少量提高到2020年的7%和2030的24%;电动轿车占比从目前的很少量到2020年的5%和2030年的27%。由此推算,在2020年和2030年,电动轿车拥有量将分别增至800万辆和9 500万辆。很明显,实现我国电动汽车市场化是一项复杂而艰巨的系统工程,在未来很长一段时间里,我国电动汽车发展将围绕三大主要任务展开,即提高电池技术水平、降低电动汽车成本和完善充电设施建设。

我国电动汽车发展各阶段的技术路线如下。

(1)研发示范阶段(2010—2015年) 经过几年的努力,在“十二五”末期,很多研发的电动汽车概念车将逐渐符合量产要求而进入批量生产。电池性能有所提高,电池成本将有较大幅度的降低,单位能量的电池成本将降至目前成本的近一半左右(约2 500元/(kW·h)),使电动汽车的成本也随之降低。电动汽车的性能随着电池性能的提高而提高,续驶里程可提高16%,最高时速可提高40%,100km电耗将降低22%。电网公司在主要城市展开以常规充电方式为主的充电系统建设,利用夜间“谷电”充电,快速充电方式和更换电池方式处于示范阶段。到2015年将建成4 000个充电站和19 000个充电桩,充电站总投资需求将大于140亿元。充电站布局以居民小区和大型办公场所的停车场为主,逐步试点在机场、火车站、医院、购物中心及加油站等公共场所建快充和更换电池站。按照国家低碳发展情景的要求,2015年全国电动汽车的市场销售量将达到25万辆规模,电动汽车应用重点将逐步从公共服务用车、微型电动汽车过渡到纯电动轿车,并初步形成电动汽车发展的市场化运作机制。

(2)迅速发展阶段(2016—2020年) 在“十三五”末期,电动汽车和电池的技术性能不断提高和完善,逐步走向成熟,其努力目标是使电动汽车接近或达到汽油车的性能水平。更高性能的电动汽车和电池不断进入市场,从而使电动汽车的成本大幅降低,购车价格接近百姓的接受程度,电动汽车的经济性初步显现。充电设施建设在近10个省的主要城市中形成系统。到2020年将至少新建10 000个充电站和30 000个充电桩。形成以常规充电为主、快充和更换电池为辅的充电站网络系统雏形。2020年的电动汽车销售市场规模将达到135万辆甚至更多,全国电动汽车和电池的生产和制造能力接近140万辆,这预示着我国电动汽车已经进入成熟发展阶段。

(3)成熟推广阶段(2021—2030年) 按照国家低碳发展情景的需要,到2030年,全国电动汽车年销售市场规模将达到800万辆以上,成为电动汽车的生产和消费大国。先进电动汽车技术、电池技术和充电技术不断得到研发和应用。届时电动汽车的续航里程将长达400km,100km电耗降至5kW·h,与此同时,电池成本迅速下降,单位能量的电池成本降至200元/(kW·h),从而使电动汽车呈现出良好的经济性,在我国轿车市场上有较强竞争力。按照电动汽车单次充电行驶里程考虑充电站的布局和建设,快充和更换电池形式的充电站使电动汽车的充电象当今加油一样方便、快捷;并且太阳能充电站将在充电站总量中占有一定份额,预计2030年达到10%左右。先进的智能电网及电网通信技术使电动汽车成为电网的友好型用电负荷,移动式充电系统的诞生和使用,使电动汽车的充电形式更加高效。未来20年,我国的电动汽车将作为主力车型服务于社会,电动轿车在全社会轿车中的比例在2030年将达到27%,届时的电动汽车将为我国的低碳交通发挥重要的节能减排作用。

4.2 政策和措施建议

我国目前的电动汽车发展促进政策,在国家中长期发展规划以及汽车产业宏观政策中均有体现。已有的政策在电动汽车技术发展方向、标准制定、生产准入管理、以及生产和消费等方面形成了政策框架,与欧美等国的政策相比,还须在电动汽车技术市场化和产业化方面增加具体的政策和措施。为制定我国电动汽车发展的政策路线图提出探索性政策建议如下。

(1)近期内加强战略规划和实施方案的制定

将电动汽车产业化发展作为国家重大专项,成立国家电动汽车发展协调领导小组,负责发展战略、产业规划、实施方案和政策措施等重大任务的制定、组织、协调和实施。规划将对电动汽车的技术研发、生产制造、零部件配套、试验检测、基础设施、消费使用、报废回收等环节的发展问题进行统筹计划,并结合智能电网和可再生能源发电等项目,整体化和系统化地设计和制定电动汽车产业发展实施方案。

(2)对技术研发和创新给予持续性的政策支持

组建电动汽车和动力电池技术创新产学研结合的产业联盟,逐步形成我国电动汽车产业化技术创新体系和持续创新机制。制定电池技术攻关计划,实施以电池原材料、制造技术、测试评价技术为重点的关键技术攻关项目,并展开对下一代新型动力电池材料、机理等基础性研究。建议国家通过增加科技投入、增加基础设施建设投入等方式支持电动汽车的自主创新,也可以通过设立电动汽车技术创新专项基金,对电动汽车核心技术、特别是新一代电池技术的研发给予持续性投资和经济激励政策。政府还可以通过拓宽融资渠道等政策为企业自主创新提供更优越的融资环境。

(3)未来10年中经济激励政策将充分发挥其市场培育作用

在电动汽车示范和推广应用初期,执行国家对试点城市纯电动汽车购买者的补贴政策。对购买电动汽车的用户实施包括免费停车、免征汽车消费税和车船使用税、免费进行充电线路改造、以及给予优惠的充电电价等政策。在2020年前后,我国电动汽车将具备市场竞争能力,建议在未来10年中充分发挥国家经济激励政策的市场培育作用。2020年之后,随着电动汽车技术的市场化进程,政策强度将逐步降低(降低补贴标准等),直至终止上述诸多经济激励政策。

(4)标准的制定和实施将贯穿各个发展阶段

将建立健全我国电动汽车标准体系作为一项长期任务,以利于不断促进电池产品生产、电动汽车制造以及充电系统建设水平的提高。推进电池单体及电池组相关标准、电机及相关部件的标准、充电机及充电站相关标准、计量及监控相关标准、电网及供配电系统相关标准的制定进程,尽快出台电动汽车各项相关技术的国家标准。制定更加严格的机动车污染物排放标准和燃料经济性标准。2010年我国开始执行国IV排放标准,按照欧洲排放标准的更新进程推算,建议我国在2014年推行国V排放标准、2019年推行国VI排放标准。新排放标准的实施将大力促进先进的低能耗汽车迅速发展,电动汽车将在其中获得迅速发展的机会。

(5)构建适合电动汽车近期和远期发展需求的充电设施系统

研究认为,我国充电设施建设的重点任务是:未来近期,深入研究充电设施对电网的影响、充电系统布局、以及充电系统建设和运行模式等相关问题,在充电设施市场需求分析和预测基础上,制定我国“十二五”时期及中长期充电系统建设规划,在规划中充分考虑充电设施建设与电网、市政等基础设施建设的有效衔接,考虑电网智能化规划与充电设施可控化建设的有效结合,提出科学引导充电设施建设的发展目标和实施路径;未来中远期,在建设一个以常规充电为主,快充和更换电池充电为辅的充电系统网络过程中,充电站建设和运营企业可以享受多种国家优惠政策,如电动汽车CO2减排量补贴、节能服务公司税收优惠政策、以及电池回收和梯级利用等鼓励政策,以利于形成一个为电动汽车用户提供方便和经济的充电服务体系,包括免费为行驶途中遇到故障的电动车提供供电紧急援助等服务。

将上述诸多促进我国电动汽车发展的战略、规划、行动方案以及政策和措施,落实在不同时段上,构成了电动汽车发展的政策路线图,见表4,为政府决策部门制定国家电动汽车产业战略和规划提供依据。

表4 我国电动汽车发展政策路线图
 
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