NIE 2024丨同济大学汽车学院博导魏学哲教授：迈向零碳交通—电化学电源系统及其数字化

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8月29日，第十八届沙利文中国增长、科创与领导力峰会暨第三届新投资大会ESG与新质生产力高峰论坛在上海静安瑞吉酒店隆重举办。此次论坛由沙利文主办，以“可持续发展与新质生产力”为主题，汇聚产业领袖、行业领先企业、投资机构及专业服务机构，聚焦可持续发展与新质生产力领域投融资新机遇，共同探讨企业穿越周期的资本和产业力量。

在论坛上，同济大学汽车学院博导魏学哲教授，对中国构建零碳交通的思考以及探讨实践方向可行性进行演讲。

该演讲主要从电化学电源的核心作用、电化学电源技术的发展与挑战、数字化转型在电化学电源中的应用以及未来氢电二元解耦及未来交通零碳化的展望。

同济大学汽车学院博导 魏学哲教授

以下为魏学哲教授演讲要点：

电化学电源是能源动力转型的核心技术

自19世纪中期始，第二次工业革命带来电机和内燃机技术，推动了全球能源使用的重大转型。电机和内燃机技术作为电磁学与热力学等科学理论的实际应用，促使科学、技术与工程深度融合，成功建立起以电力和油气为核心的能源供应体系，有力支撑了庞大的工业生产规模。但不可忽视的是，这一进程也给环境带来了诸多不良影响，其中碳排放问题愈发突出。面对此严峻挑战，全球各国，中国亦在其列，皆积极采取应对措施，尤其是在交通、电力和工业等关键领域大力推进，努力控制并减少碳排放，以期实现可持续发展的宏伟目标。

交通的低碳化要从W2T（Well to Tank，能源端）和T2W（Tank to Wheel，动力端）两个环节展开，形成W2W（Well to Tank，从能源端到动力端）的闭环。电化学电源是能源动力转型的核心技术，电化学电源不仅驱动交通能源端零碳化，同时还驱动交通动力端零碳化。过去二十多年来，针对三纵（电子控制、电机及控制以及电池及管理等）三列（从混合动力到纯电能最后到燃料电池）技术路线的探索拉开了动力转型的序幕。同时可再生能源发电技术也正式拉开了能源转型的序幕，风力和光伏已经在大多数地区实现了平价上网，但消纳仍是最大的问题。魏教授指出目前能源转型和动力转型之间存在巨大的瓶颈，虽然目前共识是去推动储能发展来解决该瓶颈，但是在具体技术路线上，目前国内还有较大的分歧。魏教授认为，能源转型和动力转型在科学意义上是在电磁学和热力学的基础上融合电化学，同时动力电池和燃料电池等电化学电源是21世纪主要的能源动力组合。

电化学电源驱动交通工具和能源零碳化

魏教授指出，从用户使用和整车设计的视角来看，车载电化学动力电源，特别是锂离子电池，乃是动力系统技术路线发展的关键自变量。电池技术的进步能够推动电动车不断向前发展，未来不同企业开发的产品及技术路线很大程度上取决于企业对电池的认知与理解。随着锂电池技术持续完善，如采用高镍加硅材料、实现电芯大型化以及进行电池包 C2X 设计等，然而里程焦虑问题依然存在，且在中大型车辆上表现得尤为突出，使得全面电动化难以实现。当前这一代锂离子电池的能量密度已趋近理论上限，技术竞争的焦点也从能量密度转向了补能速度。不同的快速补能方式（快充、换电以及增程）均面临着不同的技术和商业挑战。在“零碳”的约束条件下，PEMFC（质子交换膜燃料电池）是乘用车增程电源的优先选项。

魏教授介绍到，要实现交通领域的零碳排放，必须将视角从单一的终端问题提升到整个能源系统的层面。目前，中国的电力供应中约有60%依赖于火力发电，在实现“碳达峰”和“碳中和”的目标背景下，预计中国的可再生能源发电比例将显著提高。然而，可再生能源的广泛应用面临两大主要挑战：首先，可再生能源的空间分布极为不均，能源生产地与消费地之间存在显著的地理差异；其次，可再生能源的产量受自然条件影响，具有较大的时间波动性，这对电网的稳定性和发电侧的调节能力提出了更高的要求。解决这些挑战，对于推动能源结构的优化和实现可持续发展至关重要。在中国传统能源体系中，油气架构以“网”（存储）调整，电力架构以“源”（发电）调整解决各自波动性的挑战。考虑到氢储能成本低响应速度慢，电池储能成本高响应速度快，新能源体系可以吸取两者的特点，构建出氢-电互补储能体系以解决此前的两大挑战。

电化学电源设计和管控走向数字化

魏教授也指出电化学电源作为能源动力转型的核心技术，但是电化学电源系统自身的敏感性和应用环境的复杂性构成了一对矛盾。在实际应用层面，必须充分考虑电化学电源本身的敏感性以及环境的复杂特性，例如功率控制问题、电源状态控制问题、寿命预测与优化以及高低温适应性等方面。而数字化则是解决电化学电源敏感性和应用环境复杂性这一基本矛盾的核心方法论。PEMFC和LIB作为典型的电化学电源，其在电化学特性方程、物质输运方程、热的方程基本一致，因此PEMFC和LIB有着建模集成的可能，以及建模集成后统一设计、统一开发、统一优化和统一管理的良好前景。由于电化学电源具有相似的电化学机理和物质输运机制，因而能够在统一的多尺度模型下进行优化。

魏教授介绍数字化成为全功能电化学电源系统的核心方法论包含四点：1、数字化建模开始，向下到电极机理，向上到云端孪生；2、数字化测量，对电池内部深度测量，外部无损测量；3、数字化设计，涵盖多尺度虚拟仿真，多目标优化设计；4、数字化管控，以达到精确状态优化，车网互动主动管理。

交通零碳化未来展望

魏教授认为，展望未来，综合电化学、信息技术、电力电子技术，未来可以实现氢电二元解耦且互联的新能源体系，也将是迈向零碳交通的重要能源体系，其中基于电化学原理和技术的氢-电储能及转换是W2W零碳化的关键技术。

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