談談動力電池實現300瓦時/公斤的可行性及實現后所帶來的影響

      2018年1月7日，中國科學院院士、中國電動汽車百人會執行理事長歐陽明高教授報告，“鋰離子動力電池有望于2020年前實現300瓦時／公斤目標，目前國內外技術研發基本處于同一水平，但安全性研究尚待加強?！甭牭竭@個信息，筆者有一些聯想和思考，供大家分析。
      一、300瓦時／公斤目標有望實現，說明動力電池瓶頸已經突破
      筆者第一次認識動力電池是在2008年，清華大學陳全世老師，向筆者展示一張動力電池單體照片，他表示，中國磷酸鐵鋰動力電池的比能量已經達到80瓦時／公斤。從此，筆者對動力電池的兩個指標，即比能量、比功率有了一個基本概念。對汽車而言，動力電池比能量、比功率是兩個基本指標。
      動力電池是發展新能源汽車的瓶頸，主要是指動力電池的“比能量、比功率”指標。滿足汽車比功率要求的還有超級電容，于是一些廠家積極推進超級電容公交車，在上海世博會期間，就有了超級電容公交車的示范運營。今天再也沒有人提“超級電容”車如何了。再往前追溯，公交車電動化，最開始是混合動力技術方案，為什么呢？動力電池的比功率指標是能滿足車用的，主要是比能量離車用距離是比較遠的。
      中國發展新能源汽車到2012年，其技術路線基本明確了“純電驅動”，為什么叫“純電驅動”，不直接叫“純電動”呢？筆者理解，動力電池的比能量離車用的“瓶頸”還沒有真正突破?！凹冸婒寗印钡膬群?，中國的新能源汽車的基本要求是，必須是由電機驅動，發動機不直接參與驅動。
      “純電驅動”的意義何在？
      ①決策者已經認定了，發展中國新能源汽車的瓶頸是動力電池的比能量過低，而中國技術界和企業界一定能提高；決策者已經認定了，中國的動力電池比能量在2020年以前是可以實現300瓦時／公斤目標的。
      ②動力電池的比能量提升有一個過程，估計10年時間為一個臺階?！凹冸婒寗印钡奶岱ㄊ且粋€過渡。中國混合動力的技術路線是插電式（增程式）的，是為動力電池突破瓶頸服務的，而日本式混合動力的技術路線是為改善發動機性能不足而服務的?？梢钥闯?，都叫混動，但是其意圖不同。
      二、在動力電池瓶頸沒有突破以前，我們做了哪些工作？
      中國要發展新能源汽車，一直在學習汽車強國的先進技術。動力電池是瓶頸（比能量滿足不了車用）是全世界公認的。由于環境和能源安全的壓力越來越大，而汽車對社會發展的牽引力也是越來明顯，發展新能源汽車是人類共同的愿景。在動力電池瓶頸沒有突破以前，我們做了哪些工作？
      ①中國公交車企業沖在最前面，2001年開始向俄羅斯、日本學習，開始做傳統“混合動力”公交車，交了少的學費，在發動機技術不如人的情況下，在動力結構方面，進行了不同的嘗試，如“弱混、中混、強混”等，最后認識到了，傳統混合動汽車的關鍵技術，還是發動機技術。沒有發動機先進性支撐，中國的新能源汽車，如果還是在“弱混、中混、強混”打轉，不僅學不會日本先進的技術，要超越更是別想了。
      ②10年過去了，動力電池比能量指標有一個明顯的進步，但是還是達不到車用要求。到了2012年開始放棄了日本式混合動力技術路線，確立了中國特色的新能源汽車路線，即“純電驅動”。中國公交車企業又沖到最前面，提出了“快充”和“在線充”的技術方案，進而有力的推動了中國公交車電動化的前進步伐。不過“快充”和“在線充”是整車廠發揮自己的積極性，在彌補動力電池比能量不足的一個過渡措施而已。
      ③中國動力電池的比能量提升比較快的是有目共睹的事。2008年比能量是80瓦時／公斤，目前已經是250瓦時／公斤，10年間提升了3倍。到了2020年提升到300瓦時／公斤，已經是看得見的希望。對用戶而已，關心的是性能指標，對材料成分（結構）如何改善？是動力電池專家（企業）的事情。但是歐陽明高教授報告說，“目前國內外技術研發基本處于同一水平”令人振奮。
      三、中國動力電池2020年前能實現300瓦時／公斤目標的聯想
      ①2018年年初，電池能量密度單體達到230瓦時／公斤左右，PACK系統大約150瓦時／公斤左右；
      ②2019年再提高50－70瓦時／公斤，就能實現工信部要求的300瓦時／公斤指標，PACK系統大約215瓦時／公斤左右；
      ③2025年就能實現單體密度350瓦時／公斤、系統密度260瓦時／公斤，是力爭的目標。
      推演一下：
      ①2018年年初，PACK系統大約150瓦時／公斤，這個指標對10米純電動公交車而言，按1噸電池是150度電，1度電跑1公里耗0．8度電測算，則一次充電持續里程為187．5公里。（注：以武漢公交為例，年平均每天運營里程為197公里）。
      ②2020年PACK系統大約215瓦時／公斤左右，這個指標對10米純電動公交車而言，按1噸電池是215瓦時／公斤，1度電跑1公里耗0．8度電測算，則一次充電持續里程為268．75公里。這個指標對到2020年，全國公交新車全部電動化，車輛技術上已經能完全可以滿足。
      ③2025年系統密度260瓦時／公斤，這個指標對10米純電動公交車而言，按1噸電池是260瓦時／公斤，1度電跑1公里耗0．8度電測算，則一次充電持續里程為325公里，即到2025公里，純電動公交車1．5天才需要充一次電。
      通過上面的測算，可以有如下結論：
      ①中國公交車全部電動化，再經過8年的時間是可以實現的；
      ②中國的乘用車如果用于出租車，全部電動化，再經過8年的時間也是可以實現的；
      （①、②附件條件是配套的充電設施基本到位，明確實際情況是，公用領域純電動車輛充電配套，技術上沒有問題，投資也有回報的。）
      ③私家車（乘用車）全部電動化，僅從車輛技術上來說，再經過8年的時間同樣是可以實現的。但是，電動私家車，如果是依靠公共充電設施，還是無法滿足使用者要求的）。
      ④城市配送車輛的全部電動化，僅從車輛技術上來說，再經過8年的時間，同樣不存在問題，附加條件是交流輸入220V／直流輸出便攜式充電器發展到位。）
      ⑤大、中型貨運車輛，如何電動化？其技術路線是什么，目前還是比較含糊的?？梢赃@樣理解為，大、中型貨運車輛如果電動化，對動力電池比能量指標要求會更高。
      四、中國動力電池300瓦時／公斤指標帶來的影響分析
      中國發展新能源汽車快20年，一直在探索如何實現的技術路線，目前基本清晰。
      ①中國新能源汽車的主要特征是，純電動驅動，不走日本式混合動力的技術路線。這是進行了10年多年的實踐后，總結出來的。
      ②車用動力電池比能量的瓶頸指標是300瓦時／公斤，在這個瓶頸沒有突破以前，公交車領域、城市配送領域貨運車、A00級乘用車基本上是推廣純電動車，而在級別更高的車輛上，推進的是插電式混合動力。
      ③在動力電池pack為100瓦時／公斤上下時，出現過超級電容和日本式混合動力方案，當動力電池pack越過110瓦時／公斤后，超級電容和日本式混合動力方案，慢慢沒有人再提起。
      ④可以推判，當動力電池pack越過150瓦時／公斤后，有關插電式（增程式）的技術方案，會慢慢被人忘記。
      五、2025年動力電池實現系統密度260瓦時／公斤，其他熱門技術如何辦？
      目前新能源汽車的技術路線，比較熱門的技術有兩個：氫燃料電池技術、車用甲醇燃料。前面分析過，動力電池比能量低，新能源汽車技術路線比較多，隨動力電池能量密度的提升，有些技術方案（日本式混合動力、超級電容）就出局了。如果2025年動力電池實現系統密度260瓦時／公斤，氫燃料電池技術，車用甲醇燃料的前景如何？
      ①車用甲醇燃料技術已經被用戶放棄。山西是車用甲醇燃料技術試點省份，基本理由是山西煤炭多，發展車用甲醇燃料技術，可以提高煤炭使用效率。由于甲醇燃料技術也用的是發動機，必須要開發新的、專用的發動機?？梢韵胍幌?，要在目前發動機技術的基礎上上，再開辟一個全新的發動機，其技術難度有多大？吉利汽車公司老總李書福先生，在2017年3月的人大會，有一個提案，倡議發展甲醇汽車。而山西省一些甲醇燃料汽車用戶試用后，就基本放棄了?；纠碛墒?，甲醇排放尾氣，對排氣管腐蝕性很強。（注：一句話，新技術呼吁政府支持容易些，但是要贏到客戶，卻是十分困難。）
      ②氫燃料電池技術目前比較熱。一是專家在高峰論壇極力推薦，二是有聯合國支持示范項目，三是有些政府領導也比較熱衷。
      現在問題來了，動力電池實現系統密度260瓦時／公斤了，氫燃料電池技術要用到車上的且入口在哪里？在公交，已經不現實了。理由如下：
      a）目前純電動公交車總體技術成熟度遠遠高于氫燃料電池技術，如：氫燃料電池壽命同樣滿足不了公交車的要求。
      b）純電動公交車要充電設施支持，而氫燃料電池同樣加氫站支持。而加氫站建設要重新起步。供電體系是完畢的，氫的來源在哪里？
      c）氫燃料電池技術要用公交車上，目前他不能直接給大家供電，即離不開動力電池的支撐。氫燃料電池公交車比純電動公交車結構更復雜，添加更多的附件。
      六、總結
      ①動力電池實現系統密度260瓦時／公斤，即使開發出氫燃料電池公交車在車輛技術上相當成熟，但是其用戶的門已經沒有了。
      ②如果公交車上的應用不是氫能汽車的切入口，那切入口在哪里？還得繼續探索。
      ③一些專家認為，氫燃料電池汽車在國外商品化基本成熟，我國相當落后，我們必須要趕上；問題是我國已經是純電動汽車大國，尤其技術已經超過外國，外國是不是一定要跟上我國純電動汽車技術呢？顯然，邏輯上不通。