鉅大LARGE | 點擊量：560次 | 2022年02月24日
氫燃料動力鋰離子電池車技術前景怎么樣
“我國已經形成了電-電混合的技術優點，適合燃料動力鋰電池技術的特點。”
全國政協副主席、我國科學技術協會主席、前科技部部長萬鋼，是氫燃料動力電池技術路線的支持者。他在論述我國氫燃料動力鋰電池技術的時候，常常提及前面這個論斷。
氫燃料動力鋰電池既然這么好，為啥還要混合驅動汽車？我國搞“電-電”混動，是否因為技術水平太差了？今朝能否判定氫燃料動力鋰電池技術的前景？
我們逐個來分解分解。
電電混合的由來
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
汽車行駛在道路上，行駛狀態不斷變化，上下坡、加減速，要發動機/電動機輸出不同的功率。倘若一輛燃料動力鋰電池汽車，通過燃料動力鋰電池發電筆直驅動電機，就要燃料動力鋰電池不斷變化功率載荷。
然而，燃料動力鋰電池仿佛并不太喜歡變載，變載非得讓進氣（氫氣、空氣）等外部條件隨之變化。
從燃料動力鋰電池電堆（燃料動力鋰電池系統最核心的發電單元）的角度看，電堆的主歧管流道、入口流道、分配流道、（反應）微流道等等，都是基于某一工況范圍設計的。今朝電堆功率越設計越大，動輒百千瓦上下。迫于對功率密度的需求，往往要通過大電流密度實現。這讓通氣條件在全工況下適應非常困難。在負載過大或過小時，電堆可能只能短時間工作，以戒備因水熱問題造成損壞。
從系統角度講，燃料動力鋰電池的輔助系統（bOp，balanceofplant）仿佛也不太喜歡變載。比如空壓機會有最適宜的一段輸出區間，此區間空壓機效率較高，且工作穩定。另外，比如更簡單的管路，由于管徑固定，倘若氣體量太小，那么氣體壓力無法控制；倘若氣體量太大，那么會有很大的壓降損失，甚至造成密封失效。
從能量角度講，所有“體外循環”的電池，在工作過程中，都會有能量的損耗。因為維持電堆運行的供氣系統、冷卻系統都會消耗能量。當電堆出力較低時，bOp待機功耗相對純電動系統更大（如同汽車怠速的效果）。同時電堆低功率出力時，為了平衡流場設計和水熱管理，往往進氣計量數更大。系統能效整體降低。
現代FCV
雖然燃料動力鋰電池不喜歡變載，但并不代表不能變載。可以通過系統管理來實現。但這是個及其復雜的過程。當系統要求電堆出力提高時，氫氣和空氣的進氣量隨之提高，電堆電流密度上升，電堆輸出功率上升（但可能伴隨效率下降），發熱量也隨之上升。冷卻系統控制冷卻泵新增循環水量。氫循環泵循環量增大，陰極（或陽極）排氣量和排水量也隨之發生變化。
與此同時，電堆單池之間的差異也可能隨之增大，系統會采取診斷和保護措施……
可能就是上坡跟車時的一腳油門，系統就要做出一連串的復雜動作。倘若哪一步沒跟上，燃料動力鋰電池就像一臺渦輪遲滯分明的早起渦輪增壓發動機，甚至筆直故障。同時，頻繁的功率變化也會讓燃料動力鋰電池的壽命加速衰減。
因此，燃料動力鋰電池整套管理機制，要設計的相當嚴謹。倘若說傳統電動汽車是電和熱的組合，那么燃料動力鋰電池則至少多出兩個維度：氣體（氫氣和空氣）和水（氫氧反應出現的水以及冷卻液）。電、熱、空、氫、水五場合一，相互聯動。再加上日益增大的單堆功率，讓系統的控制難度呈幾何級數上升。燃料動力鋰電池的成本當中，系統成本至少占三分之二，也是可以理解的。
電電組合的出現，可以大大降低系統管理的難度。因為大部分情況下，通過電池可以減小電堆功率的調節范圍。當前，電電混合的常見形式有三種。分別是能量存儲、功率平衡、增程續航。
（1）“豐田模式”：能量存儲型
在豐田的系統中，搭載了鎳氫電池以實現電電混合。而鎳氫電池的用途，緊要用于能量的回收儲存，這是豐田的表述。能量存儲并非目的，將能量轉化成可用動力才是關鍵。因此，我認為“豐田模式”的電電混合，仍是以“削峰填谷”作為目標。
豐田選擇鎳氫電池實現電電組合，我想多半是來自于豐田在普銳斯上技術的積累。在普銳斯上，豐田配置了168個單體電壓為1.2V的鎳氫電芯，總儲能容量為1.3kWh，藉此保證普銳斯的發動機始終在最“佳”的工作狀態。
在城市行駛的工況下，普銳斯的管理系統，將電池的充放電深度控制在很小的范圍之內，而儀表盤上的SOC顯示，只是電池可用范圍上的消耗百分比。淺充淺放的使用場景，保證了鎳氫電池的壽命。
Mirai借鑒了相近的結構。將鎳氫電池與燃料動力鋰電池耦合相連。在剎車時，回收能量存儲與電池當中。通過燃料動力鋰電池發電和能量回收，始終保證鎳氫電池在“適宜”的SOC范圍。在系統變載時，鎳氫電池向系統輸出瞬時功率，讓系統更加平順。
同時，鎳氫電池屬于“水系”電池，因此在使用過程中，相比鋰離子電池，在出現故障時，電池本體起火的可能性更低。因此，就安全性來說更勝一籌。
簡單總結豐田的電電混合模式，從表面上看，是有關能量的回收。但是其本質，還是“削峰填谷”，從而讓燃料動力鋰電池工作在最佳的狀態。
（2）本田模式：功率平衡型
本田對燃料動力鋰電池汽車的開發，可以追溯到上世紀的80年代。第一代FC樣機的試驗，確實奧德賽上完成的。時隔三十年，本田的Clarity，又以全新的姿態，展現FCV的技術。
本田的核心技術，是將燃料動力鋰電池發動機集成到和V6標準發動機相同的大小。這讓Clarity在布置上，可以大量借鑒傳統汽車的結構，降低設計風險。
本田的電電混合系統，由燃料動力鋰電池、鋰離子電池通過本田特有的部件FCVCU進行連結。
燃料動力鋰電池電壓控制器（FCVCU）是實現“本田模式”的關鍵部件，它是一種高效的電壓調節裝置。使用SIC-IpM，（我對這個技術的翻譯是碳化硅智能電源模塊，不了解官方有沒有更炫的名字。）讓本田以極小的體積實現對燃料動力鋰電池電堆電壓的轉化。
下圖是FCVCU的工作原理圖。相比豐田強調的回收制動能量，本田的電電混合技術更增強調對功率的提升。本田通過FCVCU將燃料動力鋰電池電壓提升至500V，燃料動力鋰電池可以和鋰離子電池同時出力。在最高功率時，鋰離子電池出力占整個系統的30%。
揣測本田的設計思路，就是通過電壓的控制，新增鋰離子電池對系統出力的比例，反向也能讓燃料動力鋰電池出力范圍變化更加緩和。
（3）增程續航
市面上還有另外一種燃料動力鋰電池和鋰離子電池混合的電電混動技術：即燃料動力鋰電池只為鋰離子電池充電，鋰離子電池單一驅動電機。我曾在展會上見過類似的使用。燃料動力鋰電池在幾個相對固定工況下工作，使控制難度進一步降低。但是這種純粹以“增程”為目的的FCV使用，本質上是犧牲功率換取續航的做法。
總結一下電電混動的技術，簡單說就是儲能電池像一個蓄水池般不斷地充放調整，以平衡系統的功率特性和容量特性。各家技術的差別，在于所配備“蓄水池”的大小不同。倘若單從技術上來評價，豐田僅僅配備了2kWh的鎳氫電池，在燃料動力鋰電池管理技術上來說，最為先進。但也要從成本和壽命上綜合考慮。
燃料動力鋰電池汽車的優點在哪
與電動汽車相比，燃料動力鋰電池汽車在形式上更加符合汽車的要求。一般來說，燃料動力鋰電池汽車在幾分鐘，便可洋溢滿足500公里續航的氫氣；而特斯拉的ModelS，最多只能保證在20分鐘內洋溢續航300公里的電能。當我們計算成本的時候，很少把使用的方便性計算進去。因此，和很多人觀點相同，補充氫氣更方便是燃料動力鋰電池的最核心優點。
特斯拉第三代超充峰值功率提升到250kW
在此，我想追問兩個問題。第一個問題，雖然充電更為耗時，可否用商業模式去彌補？
我曾見過這樣一個項目，將充電站和購物休閑相結合？其所謂的痛點，就是幫人們“打發”充電的等待時間，同時出現利潤。說實話，我個人對類似商業模式的評價是一個字：尬！也許反過來，一個成熟的商業中心供應一些充電服務更加適宜。
第二個問題，倘若在技術上，提高充電樁的功率，讓充電更加快速，從而減少等待時間。屆時燃料動力鋰電池還有沒有優點？
雖然技術上也許可行，我覺得并非一個好的處理辦法。首先，直流快速充電對電池耐用性和壽命上的傷害，一直是一個讓人擔心的問題。一些純電動汽車制造商甚至會筆直提議少用快充，以提高電池壽命。其次，提高充電速度，會降低系統的效率，新增能量損失。暫且不提損失的能量有多少，從設計理念上看，多少與綠色理念背道而馳。第三，大面積的快充裝置對能源結構有影響。
從上述分解可以看出，一味地提高充電功率，是既損失效率，又損失電池壽命的做法。將來對新能源汽車的要求可能車型更大，續航時間更長，充電時間更短，這就更加凸顯了電池所帶來的木桶效應。燃料動力鋰電池的優點則更加彰顯。即使把加氫時間降低到3分鐘以內，也不會對電堆有絲毫的影響。
當然，我們可以寄希望于將來鋰離子電池技術的發展。比如所謂的全固態電池技術。但是，在此我想引用現代的技術專家說的一句話：“雖然我們對將來的創新有所期望，但是終歸只是猜想。”
氫能更加低效嗎？
1度電，可以讓電動汽車行駛5~7公里，但是倘若把1度電制造成氫氣，再將能量釋放出來行駛，那么行駛里程可能惟有三分之一。那么為甚么一定要用氫氣？
電動汽車業內的大佬馬斯克認為氫是一種低效的能源。能源經過的多次轉換，看似遠不如筆直用電高效。
相同的質疑聲，也會指向純電動汽車。一些人認為當下的新能源汽車，只是從“燒油模式”轉變為“燒煤模式”。
對此，我們非得明確，能源是從哪里開始計算的？美國能源部提出了2035年全周期能耗（bTUs/miles）的評價。bTU，指的是英熱單位，1度電約等于3412bTUs。而所謂全周期，指的是從最初的能源加工到被車輪消耗掉的整個過程。詳盡如下圖所示。
從上面兩幅圖，可以看出電動汽車和燃料動力鋰電池汽車，在全周期尺度上的能耗，都在相類似的范圍之內，并沒有太大差別。不論是豐田還是現代，他們都考慮從全周期的尺度上考慮新能源汽車的能效問題。豐田曾表示氫氣的加工到灌充至儲氫瓶中的過程，相比電的出現并洋溢電池更加高效，但并未給出此結論的出處，因此僅供大家參考。
總結：最后一點擔憂
從2015年新能源汽車飛速發展，我便對電池的回收處置問題開始擔憂。燃料動力鋰電池中催化劑用鉑可以從電堆中筆直回收，今朝如莊信萬豐這樣的老牌貴金屬供應商，已經著手于鉑回收技術的開發。而相比之下，鋰離子電池的回收，面對著很大的挑戰。
首先電池在回收分析處置，存在著多種化學過程，技術復雜且有技術壁壘。在回收的過程，可能對環境造成較大的影響。同時，缺乏標準化的流程也是問題之一。
更緊要的是，可能沒有回收價值。曾有公司對從動力鋰離子電池中回收鋰做了估算，其成本約是從鹵水中提取鋰的5倍之多。電池成本越低，可回收的價值就越差。經濟賬算不過來，很難讓人有做好這件事的動力。但是倘若任由電池內的廢棄物任意排放，比如鎳和鈷，都會對人體出現極大影響。
進一步講，任何電池，倘若不能形成從加工到回收形成閉環，那很難用“可再生”三個字來形容它。在追求電動化的今天，作為主角的鋰離子電池，可能存在著嚴重的成本失真。當電池回收處置這件事不得不做的時候，本著“誰加工誰負責”的原則，鋰離子電池的成本可能進一步上升。起碼可以判斷，鋰離子電池的成本不會繼續降低，當我們也可以從“全周期”的角度去認識新能源汽車的時候，也許會開始重視那些潛在的成本和收益。
當前情況下，燃料動力鋰電池并未形成產業化規模，技術路線尚未定型。在此時時常被牽出來和鋰離子電池作比較，確實不太公平。讓汽車走遍千家萬戶的，并非是發動機的發明者，也不是第一輛汽車的制造者，而是福特的加工線。因此在技術成形之初，對技術成與不成的任何篤信，都顯得有幾分狂妄。
豐田Mirai動力系統圖示
我有一次問豐田的一位專家：將來技術方向有什么？
豐田的專家并未給我明確的答案，而在我們交流的過程中，他不止一次的提到了成本。豐田的今天采取的技術路線，是過去的積累。豐田的將來，要看將來的成本如何的。
消費者最優先關心的，并不是能效，或者是否“電電混合”。但是倘若給他們一個合理的價格，好的體驗，他們中的一些人會愿意選擇更加環保的產品。
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