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基於中國動力電池望於2020年前實現300瓦時/公斤目標的聯想和思考

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於2020年前實現300瓦時/公斤目標,目前國內外技術研發基本處於 同一水平,但安全性研究尚待加強。”聽到這個信息,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,於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”如何車用了。 再往前追溯,公交車電動化,最開始是混合動力技術方案,為什麼呢? 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”,為什麼叫“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。 “純電驅動”的內涵是,中國的新能源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年時間為一個台階。 “純電驅動”的提法是一個過渡。 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。 可以看出,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。 由於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願景。 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,最後認識到了,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”。 中國公交車企業又衝到最前面,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於同一水平”令人振奮。

基於中國動力電池望於2020年前實現300瓦時/公斤目標的聯想和思考

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於出租車,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? 其技術路線是什麼,目前還是比較含糊的。 可以這樣理解為,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徵是,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年多年的實踐後,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/公斤後,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/公斤後,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。 由於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。 可以想一想,要在目前發動機技術的基礎上上,再開闢一個全新的發動機,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後,就基本放棄了。 基本理由是,甲醇排放尾氣,對排氣管腐蝕性很強。 (注:一句話,新技術呼籲政府支持容易些,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範項目,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裡? 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於氫燃料電池技術,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。 供電體係是完畢的,氫的來源在哪裡?

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複雜,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,那切入口在哪裡? 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,我國相當落後,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。

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