如何应对汹涌而来的电动汽车革命

  [中国石化新闻网2018-08-29]
  张国昀
  摘要：面对“电动革命”，我们既不能视而不见、无动于衷，也不能惊慌失措、自乱阵脚，要保持战略定力，从容应对。
  近年来，国家大力支持电动汽车发展，国内电动汽车产销量和保有量快速攀升，纯电动比例逐年提高。2017年，新能源汽车产销量分别达到79.4万辆和77.7万辆，比上年分别增长53.8％和53.3％，市场占比2.7%。在2017年新能源汽车销量中，85%左右为纯电动汽车，比2016年提高了4个百分点。2018年上半年产销量分别为41.3万辆、41.2万辆，比去年同期分别增长94.9%和111.5%。截至2018年6月，全国新能源汽车保有量199万辆，其中81%为纯电动汽车。
  这场电动汽车引发的热潮，席卷汽车、能源、材料、互联网各个行业，引发从政府到百姓各个层面的关注。其速度之快，范围之广，影响之深，人们把它看做一场“电动革命”。
  这场革命不仅仅局限在中国。据IEA《GlobalEVOutlook2018》统计，2017年全球电动乘用车销量超过100万辆，其中中国和美国分别销售58万辆和28万辆，而挪威是电动乘用车销量占比最高的国家，占2017年全国乘用车销量的39.2%。截至2017年，全球电动乘用车保有量超过300万辆。中国、美国是保有量最高的两个国家。
  电动汽车与燃油车的前世今生
  实际上，电动汽车是汽车最早的模样。最早的电动汽车出现在1834年，当时苏格兰人托马斯·德文博特（ThomasDavenport）制造了第一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动。
  1881年，法国人古斯塔夫·特鲁夫（Gustavetrouve）在巴黎国际电力博览会上展示了第一台可充电三轮电动车，它由1台电机和6节铅酸蓄电池组成，加上乘员后，总重量160千克，速度仅为12公里/小时。1891年，威廉·莫里森（WilliamMorrison）制成了第一辆电动四轮车，成为现代汽车的雏形。1899年，德国人波尔舍发明轮毂电机。1899年4月29日，比利时人卡米乐?热纳茨（CamileJenatzy）驾驶着一辆名为“永无止境号（LaJamaisContente）”炮弹外形电动汽车，以105.88公里/小时的速度刷新了由汽油发动机保持的世界汽车最高车速纪录。
  燃油汽车是由“汽车之父”卡尔?本茨于1886年发明的，比第一辆可充电电动汽车出现晚5年，比第一辆不可充电电动汽车晚52年。
  19世纪90年代到20世纪初是电动汽车的一个黄金时代。电动汽车广泛成为美英德法等国家的私人车辆，占据了汽车的主要市场。根据1903年纽约《汽车时代》杂志统计，在美国4000多辆机动车中，电动汽车占38%。电动汽车在1912年达到全盛期，全美国注册的电动汽车达到3.4万辆，居各种机动车首位。
  随着内燃机汽车的发展，电动汽车逐步被内燃机汽车替代，1930年左右电动汽车基本上从市场上消失了。内燃机汽车替代电动汽车的主要原因有三个。一是内燃机技术水平的提升。燃油汽车续航里程是电动汽车的3倍左右，且成本低。二是石油的大规模发现和汽油价格降低。三是外部环境有利于内燃机汽车发展。当时很多乡村地区没有电力供应，城市之间公路网络逐渐发达，速度更快、行驶里程更长的汽油车比电动汽车更加适合作交通工具。
  从20世纪30年代到20世纪末，电动汽车基本淡出了人们的视野。直到第三次石油危机之后，20世纪90年代末，美国通用和日本丰田各推出一款电动汽车——雪佛兰EV1和丰田RAV4，但两个车型销量都很小，而且很快停产。当时制约推广的主要因素是电池瓶颈问题，两个公司的电池能量密度都比较低，汽车续航里程比较短，难以充分满足人们的出行需求。
  电动革命注定会发生
  电动汽车具有终端无污染、制车技术门槛低、更加适应未来的能源体系等优点，但真正要实现“电动革命”，主要依靠的还是它的两个本征优势——能量转化效率高、反应速度快。
  能量转化效率高。电动汽车直接通过电机把电能转化为汽车行驶所需的机械能，电机能量转化效率高；燃油汽车首先要将燃料的化学能转化为热能，再将热能转化为机械能，在热能转化为机械能的过程中，热能损失较大，能量转化效率较低。总体来看，电动汽车的能量转化效率是汽油车的3倍左右，是柴油车的2倍多。电动汽车能量转化效率高意味着能量消耗少和燃料费用省；电动汽车能量转化过程简单，因此汽车结构更简单，日常维护保养费用更省。
  反应速度快。燃油汽车的启动和加速要通过内燃机，有燃料加注过程；刹车和转向要通过液压系统。这些控制过程都有时间滞后问题。燃油汽车从收到指令到输出的反应时间为400～500毫秒。电动汽车的电机、转向系统、电磁刹车都可以直接由电信号控制。电动汽车从收到指令到输出的反应时间为30毫秒左右，比燃油汽车小一个数量级。电动汽车比燃油车更适合于未来的自动驾驶。另外，电动汽车除了反应速度快之外，启动性能也远好于燃油汽车。
  2008年至今，电动汽车进入了发展的第三个机遇期，电动汽车销量和保有量快速增加。2017年全球电动乘用车销量超过100万辆，保有量超过300万辆。与此同时，挪威、荷兰、德国、法国、英国、印度等国家陆续宣布了禁止销售传统燃油汽车时间表。2017年9月我国工信部明确表示已经启动相关研究。
  积极出台相关政策支持新能源汽车发展的国家，都是立足于本国的实际情况，出发点大致可以分为三种情况：一是国内石油不能自给自足，为了保障国家能源安全。如美国、日本、德国、中国。二是汽车产业升级，提高本国汽车工业竞争力。如美国、德国等。中国在传统汽车产业方面，缺乏自主创新的核心技术，与国外差距较大。电动汽车的技术路线与传统汽车的内燃机技术路线存在根本的不同，我们希望能够实现“换道超车”。三是能源转型，削减二氧化碳排放。如德国、挪威等欧洲国家一直是推动应对气候变化的主要力量。中国目前也面临着很大的温室气体排放压力和严重环保压力，机动车尾气排放已经成为一些大城市的主要污染源。
  锂离子电池技术突破引发“电动革命”
  电动汽车虽然有能量转化效率高、反应速度快等本征优势，但之前一直发展缓慢甚至停滞，其根本原因在于动力电池技术的制约。
  最早的充电电池是铅酸电池和镍镉电池，铅酸电池于1859年由法国人普兰特（G.Plante）发明，镍镉电池于1899年由瑞典人容格（WaldmarJungner）发明，两种电池的能量密度都比较低。除铅酸电池、镍镉电池外，后来又陆续出现了镍锌电池、镍铁电池、镍氢电池、锌—氧化银电池等，但能量密度都难以满足电动汽车的需求。而钠硫电池能量密度虽然较高，但其工作温度高，电池工作时需要加热保温，用作电动汽车动力电池时在空间和安全性方面存在问题。目前关于钠硫电池的研究和应用主要是在储能方面。
  锂离子电池的发明和技术不断成熟使得汽车的电动革命成为可能。锂用于电池有三个优势：一是相对原子量小，这就意味着在质量相同时，金属锂比其他活泼金属能提供更多的电子。二是电池电压高，电池电压是和负极金属活泼性密切相关的，作为非常活泼的碱金属，锂电池能提供较高的电压。三是离子半径小，锂离子比其他大的离子更容易在电解液中移动，充放电时可以实现正负极间的有效、快速的迁移，使整个电化学反应得以进行。这三个优势使锂电池具有能量密度高、能够快速充放电的优点。
  最早的商业化锂离子电池是由索尼公司于上世纪90年代初发明的，正极活性材料为钴酸锂，负极活性材料为石墨，电解液为锂盐(如六氟磷酸锂)的有机溶剂。之后陆续研发出了锰酸锂、磷酸铁锂、三元素等正极材料，目前磷酸铁锂、三元素是主流产品。
  随着电池技术的进步、汽车材料轻量化、整车装配的优化，市场上主流的电动汽车续航里程已经由两三年前的100～200公里，增加到目前的250公里以上。目前商业化车型中，特斯拉电动汽车的续驶里程比较高。其采用镍钴铝三元素材料，单体18650电池的能量密度250瓦时/千克左右。ModelP100D载电量100千瓦时，汽车整备质量2100千克左右，续航里程572公里，百公里加速可以达到2.7秒。
  锂离子电池最初用于电动汽车动力电池时价格还比较高，随着电动汽车规模的扩大和相关技术的进步，近年来动力电池成本价格下降很快。根据彭博新能源财经的调查统计，锂离子电池系统的平均价格从2013年的599美元/千瓦时（其中电池价格411美元/千瓦时）下降至2017年的209美元/千瓦时（其中电池价格147美元/千瓦时），到2025年，电池组价格将降至100美元/千瓦时以下。100美元/千瓦时被业内认为是电动汽车竞争力全面强于燃油汽车，开始大规模替代的临界点。
  充电时间大幅缩短。一方面是提高电池本身的快充性能，另一方是采用非线性充电策略，来提高缩短电动汽车充电时间。特斯拉现有120kW超级充电站，采用非线性充电策略，20分钟充50%，40分钟充80%，80分钟充满。
  自动驾驶技术是未来汽车发展方向。自动驾驶汽车（Autonomousvehicles；Self-pilotingautomobile）是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车。自动驾驶的三大技术基础是感知、决策、控制。感知技术包括高清数字地图、数码相机、激光雷达、雷达、声纳、惯性测量单元等；决策技术包括自上而下的指令型人工智能和自下而上的数据驱动型人工智能；控制技术包括加速、刹车、转向等底层控制，及路径规划、道路导航等上层控制。
  电动汽车和燃油汽车的区别主要在底层控制，包括加速、刹车和转向等。如前面所述，电动汽车的反应速度是燃油汽车的十倍以上，电动汽车在自动驾驶方面有先天优势。未来自动驾驶技术的成熟会倒逼燃油汽车淘汰。
  目前自动驾驶程度普遍采用NHTSA（美国国家高速公路交通安全管理局）和SAE（美国汽车工程师学会）分级标准，详见表1。以SAE标准为例，从L0到L5，自动驾驶程度逐级提高，L0为完全人工驾驶，L5为在所有场景都可以完全自动驾驶。
  近年来，谷歌、特斯拉、优步、百度等科技公司大力开发无人驾驶技术。同时，传统汽车公司也积极加入无人驾驶的研发中。如奔驰、通用已经开展无人驾驶汽车路测；宝马拟联手英特尔近期开展无人驾驶汽车路测。目前无人驾驶技术整体处于L2到L3的阶段。

  与传统燃油汽车不同，电动汽车虽然续航里程短、充电速度慢、一次性购车成本高，但其运行成本低，且更容易实现自动驾驶。根据电动汽车技术特点，进行商业模式创新，能够有力促进电动汽车的发展，例如共享汽车模式。
  国外已经有美国优步、法国Autolib、德国戴姆勒公司Car2go等共享汽车项目。国内近期也在上海、重庆、北京等城市陆续出现了共享汽车。目前国内市场上95%以上的分时租赁汽车均为电动汽车。
  根据EVTank统计数据，截至2017年1季度，国内在运的共享汽车已经达到4.5万（包括0.94万辆微公交）。以北京的Gofun出行为例，共享汽车通常情况比出租车便宜一半左右。根据相关预测，每共享一辆汽车，可以减少13辆汽车的购买。目前北京市每辆共享汽车平均每天使用频次为5.1次，平均每次行驶距离为20公里，每天行驶里程是普通私家车的4倍以上。
  受人口、资源、环境等影响，中国难以像美国一样依靠大量私家车来解决人们的日常出行，共享汽车今后或将成为解决人们日常出行的主要方式之一。今后汽车自动驾驶技术的不断进步和汽车租赁共享商业模式的不断成熟，会加速电动汽车对燃油汽车的大规模替代。
  汽车共享商业模式目前仍然存在消费者接受程度、违章处理、租还车不便等问题，下一步还需要结合中国实际情况，深入分析研究自动驾驶+共享商业模式+电动汽车对现有交通出行方式的影响程度。
  目前关于电动汽车的争议主要是安全和环保问题。安全方面，人们对电动汽车担心的主要问题是自燃和辐射。近年来，国内外发生了几起电动汽车自燃事故，引起了人们对电动汽车安全性能的关注。根据调查，几起事故问题都出现在电池上，主要原因包括电池装配不当、电池过充、电池碰撞破损等。随着技术的进步，电动汽车的安全性能不断得到改善，目前已经能够达到甚至超过燃油汽车水平。电动汽车的电磁辐射高于普通燃油汽车，辐射来源主要有大功率DC/DC变换器、电机、高压线束等。辐射的影响包括人身安全和电器设备之间的干扰，目前国家标准中，电磁兼容的限值要求比人身安全的限值要求更严格。一般采用优化部件布置、线束走向，及屏蔽等措施，减少电磁辐射。目前电动汽车一般都能满足电磁辐射限值要求。
  环保方面，人们对电动汽车环保的争议主要有两点：一是认为电动汽车只是把污染物排放从消费终端转移到了生产端，而中国的电接近80%来自燃煤发电，可能污染更大；二是认为废旧电池处理不当会造成污染。
  综合来看，电动汽车并不存在污染物排放转移问题。首先是电厂的污染物可以集中处理，治理难度远小于上亿辆燃油汽车在路上行驶时的污染物排放处理。其次，根据我们的研究，从全生命周期考虑，在我国现有电力结构（火力发电量占70%左右）下，电动汽车的氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳等污染物排放都远小于燃油汽车；颗粒物排放略高于汽油车，但远低于柴油车；二氧化硫排放高于燃油汽车；另外，二氧化碳排放低于汽油车，与柴油车接近。今后随着可再生能源发电、燃气发电比例的提高，污染物和二氧化碳排放还会进一步降低。
  长远来看，废旧电池的处理并不会带来额外的污染。国外发达国家已有成熟的技术和完善的回收体系。国内之前车用动力电池受规模限制尚未形成回收市场。从2018年开始，国内首批车用动力电池将陆续迎来“退役”期。针对这一情况国家陆续出台相关文件，大力推进动力电池回收体系建设。
  总体来看，相关问题不断得到解决，电动汽车正在逐步走向成熟，替代燃油的规模也会越来越大。
  沉着应对“电动革命”对石油石化行业的冲击
  回顾历史，石油工业因汽车而兴。今后电动汽车如果的大规模推广，会直接影响汽车的燃油消费，进而影响石油开采、炼油化工、成品油销售等。是否会“成也萧何败也萧何”？
  从上游看，电动汽车会影响石油供需平衡和油价。以2014年油价下跌为例，当时全球原油供大于求维持在略低于200万桶／天的水平，即2%左右。根据相关统计，目前全球汽油消费量占石油消费量1/4左右，电动汽车如果替代10%的汽油车，就会引起石油消费需求减少2.5%以上。IMF在2017年5月发布的《RidingtheEnergyTransition》中预测，到2040年，全球93%的燃油车将被替代，届时油价会降到15美元/桶。石油用途是多元化的，车用燃油只占40%多，其他需求的增加会一定程度上弥补车用燃料的萎缩，油价不一定会降到15美元/桶，但一旦大规模替代，则价格走低是大概率事件。
  从中游（炼油）方面看，主要影响消费总量、消费结构和产业布局。电动汽车的大规模替代，会引起成品油消费总量萎缩，炼油的市场竞争将会更加激烈。电动汽车主要替代汽油。目前国内柴油消费低迷、汽油消费相对旺盛，电动汽车大规模商业化会加速汽油消费峰值的来临。电动汽车发展较快的一类区域，包括京津冀、长三角、珠三角等，也正是炼油和成品油消费的核心区（一类区域炼油占全国70%，汽柴油消费占全国50%），电动汽车的推广会逐步影响炼油、成品油销售的布局，及油品物流走向。
  从下游看，电动汽车今后更倾向于在家庭车库或公共停车场充电。即使在加油站建设充（换）电设施，大部分车也不会到加油站充电。一方面是因为经济性，另一方面是因为便捷性。按近日刚被壳牌公司收购的荷兰电动汽车充电公司NewMotionCEOSytseZuidema估计，今后80%的电动汽车充电将发生在家庭车库或停车场等电动汽车长时间停靠的地点。
  鉴于能源供应方式的差异，不能完全套用加油站模式来发展充（换）电业务，而应根据电动汽车和电力系统的特点来探索构建新的能源供给生态。国外，日产、奥迪等车企提出了整合家庭储能（可采用梯级利用的动力电池）、太阳能发电以及电动汽车充电为一体的综合解决方案，降低对传统电网依赖，目前已经在试点。
  除电动汽车外，氢燃料电池汽车也是另一种电气化汽车。与纯电动汽车相比，氢燃料电池的优势是续驶里程可以更远，消除里程焦虑，而且加氢与加油相似，只需几分钟，远快于电动汽车充电；其劣势主要是经济性差，不仅用氢成本高于用电成本，而且氢燃料电池汽车整车结构更复杂，购车成本相对更高。
  氢燃料电池汽车和纯电动汽车各自优势不同，适合发展的领域也不同，今后将差异化发展：电动汽车主要在乘用车领域，替代汽油车；氢燃料电池主要在城际大巴车、中型物流车等领域替代柴油车，另外氢燃料电池汽车也适用于房车等长途出行且有用电需求的特种车型领域。
  从长远看，交通电气化趋势不可逆转，目前动力电池、氢燃料电池、储氢等技术还存在瓶颈问题，短期内难以实现根本性突破。预计2050年前，石油在交通运输领域的主体地位不会动摇。因此，面对“电动革命”，我们既不能视而不见、无动于衷，也不能惊慌失措、自乱阵脚，要保持战略定力，从容应对。一方面是应对新能源汽车发展对现有业务的挑战，根据新能源汽车发展情况及其对石化产业的影响，从上中下游全产业链，提前谋划现有相关业务的调整。另一方面是抓住新能源汽车为公司转型发展带来的机遇，结合公司自身的优势，有所为有所不为，甄选重点发展领域，布局新能源汽车相关产业，培育公司新的效益增长点。
  （作者单位：集团公司发展计划部）