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  • 中国动力电池300瓦时/公斤实现后所带来的影响分析
    更新时间:2018-02-02   阅读次数:1031

    2018年1月7日,中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行理事长欧阳明高教授报告,“锂离子动力电池有望于2020年前实现300瓦时/公斤目标,目前国内外技术研发基本处于同一水平,但安全性研究尚待加强。”听到这个信息,笔者有一些联想和思考,供大家分析。

    一、300瓦时/公斤目标有望实现,说明动力电池瓶颈已经突破

    笔者第一次认识动力电池是在2008年,清华大学陈全世老师,向笔者展示一张动力电池单体照片,他表示,中国磷酸铁锂动力电池的比能量已经达到80瓦时/公斤。从此,笔者对动力电池的两个指标,即比能量、比功率有了一个基本概念。对汽车而言,动力电池比能量、比功率是两个基本指标。

    动力电池是发展新能源汽车的瓶颈,主要是指动力电池的“比能量、比功率”指标。满足汽车比功率要求的还有超级电容,于是一些厂家积极推进超级电容公交车,在上海世博会期间,就有了超级电容公交车的示范运营。今天再也没有人提“超级电容”如何车用了。再往前追溯,公交车电动化,最开始是混合动力技术方案,为什么呢?动力电池的比功率指标是能满足车用的,主要是比能量离车用距离是比较远的。

    中国发展新能源汽车到2012年,其技术路线基本明确了“纯电驱动”,为什么叫“纯电驱动”,不直接叫“纯电动”呢?笔者理解,动力电池的比能量离车用的“瓶颈”还没有真正突破。“纯电驱动”的内涵是,中国的新能源能源汽车的基本要求是,必须是由电机驱动,发动机不直接参与驱动。

    “纯电驱动”的意义何在?

    ①决策者已经认定了,发展中国新能源汽车的瓶颈是动力电池的比能量过低,而中国技术界和企业界一定能提高;决策者已经认定了,中国的动力电池比能量在2020年以前是可以实现300瓦时/公斤目标的。

    ②动力电池的比能量提升有一个过程,估计10年时间为一个台阶。“纯电驱动”的提法是一个过渡。中国混合动力的技术路线是插电式(增程式)的,是为动力电池突破瓶颈服务的,而日本式混合动力的技术路线是为改善发动机性能不足而服务的。可以看出,都叫混动,但是其意图不同。

    二、在动力电池瓶颈没有突破以前,我们做了哪些工作?

    中国要发展新能源汽车,一直在学习汽车强国的先进技术。动力电池是瓶颈(比能量满足不了车用)是全世界公认的。由于环境和能源安全的压力越来越大,而汽车对社会发展的牵引力也是越来明显,发展新能源汽车是人类共同的愿景。在动力电池瓶颈没有突破以前,我们做了哪些工作?

    ①中国公交车企业冲在最前面,2001年开始向俄罗斯、日本学习,开始做传统“混合动力”公交车,交了少的学费,在发动机技术不如人的情况下,在动力结构方面,进行了不同的尝试,如“弱混、中混、强混”等,最后认识到了,传统混合动汽车的关键技术,还是发动机技术。没有发动机先进性支撑,中国的新能源汽车,如果还是在“弱混、中混、强混”打转,不仅学不会日本先进的技术,要超越更是别想了。

    ②10年过去了,动力电池比能量指标有一个明显的进步,但是还是达不到车用要求。到了2012年开始放弃了日本式混合动力技术路线,确立了中国特色的新能源汽车路线,即“纯电驱动”。中国公交车企业又冲到最前面,提出了“快充”和“在线充”的技术方案,进而有力的推动了中国公交车电动化的前进步伐。不过“快充”和“在线充”是整车厂发挥自己的积极性,在弥补动力电池比能量不足的一个过渡措施而已。

    ③中国动力电池的比能量提升比较快的是有目共睹的事。2008年比能量是80瓦时/公斤,目前已经是250瓦时/公斤,10年间提升了3倍。到了2020年提升到300瓦时/公斤,已经是看得见的希望。对用户而已,关心的是性能指标,对材料成分(结构)如何改善?是动力电池专家(企业)的事情。但是欧阳明高教授报告说,“目前国内外技术研发基本处于同一水平”令人振奋。

    三、中国动力电池2020年前能实现300瓦时/公斤目标的联想

    ①2018年年初,电池能量密度单体达到230瓦时/公斤左右,PACK系统大约150瓦时/公斤左右;

    ②2019年再提高50-70瓦时/公斤,就能实现工信部要求的300瓦时/公斤指标,PACK系统大约215瓦时/公斤左右;

    ③2025年就能实现单体密度350瓦时/公斤、系统密度260瓦时/公斤,是力争的目标。

    推演一下:

    ①2018年年初,PACK系统大约150瓦时/公斤,这个指标对10米纯电动公交车而言,按1吨电池是150度电,1度电跑1公里耗0.8度电测算,则一次充电持续里程为187.5公里。(注:以武汉公交为例,年平均每天运营里程为197公里)。

    ②2020年PACK系统大约215瓦时/公斤左右,这个指标对10米纯电动公交车而言,按1吨电池是215瓦时/公斤,1度电跑1公里耗0.8度电测算,则一次充电持续里程为268.75公里。这个指标对到2020年,全国公交新车全部电动化,车辆技术上已经能完全可以满足。

    ③2025年系统密度260瓦时/公斤,这个指标对10米纯电动公交车而言,按1吨电池是260瓦时/公斤,1度电跑1公里耗0.8度电测算,则一次充电持续里程为325公里,即到2025公里,纯电动公交车1.5天才需要充一次电。

    通过上面的测算,可以有如下结论:

    ①中国公交车全部电动化,再经过8年的时间是可以实现的;

    ②中国的乘用车如果用于出租车,全部电动化,再经过8年的时间也是可以实现的;

    (①、②附件条件是配套的充电设施基本到位,明确实际情况是,公用领域纯电动车辆充电配套,技术上没有问题,投资也有回报的。)

    ③私家车(乘用车)全部电动化,仅从车辆技术上来说,再经过8年的时间同样是可以实现的。但是,电动私家车,如果是依靠公共充电设施,还是无法满足使用者要求的)。

    ④城市配送车辆的全部电动化,仅从车辆技术上来说,再经过8年的时间,同样不存在问题,附加条件是交流输入220V/直流输出便携式充电器发展到位。)

    ⑤大、中型货运车辆,如何电动化?其技术路线是什么,目前还是比较含糊的。可以这样理解为,大、中型货运车辆如果电动化,对动力电池比能量指标要求会更高。

    四、中国动力电池300瓦时/公斤指标带来的影响分析

    中国发展新能源汽车快20年,一直在探索如何实现的技术路线,目前基本清晰。

    ①中国新能源汽车的主要特征是,纯电动驱动,不走日本式混合动力的技术路线。这是进行了10年多年的实践后,总结出来的。

    ②车用动力电池比能量的瓶颈指标是300瓦时/公斤,在这个瓶颈没有突破以前,公交车领域、城市配送领域货运车、A00级乘用车基本上是推广纯电动车,而在级别更高的车辆上,推进的是插电式混合动力。

    ③在动力电池pack为100瓦时/公斤上下时,出现过超级电容和日本式混合动力方案,当动力电池pack越过110瓦时/公斤后,超级电容和日本式混合动力方案,慢慢没有人再提起。

    ④可以推判,当动力电池pack越过150瓦时/公斤后,有关插电式(增程式)的技术方案,会慢慢被人忘记。

    五、2025年动力电池实现系统密度260瓦时/公斤,其他热门技术如何办?

    目前新能源汽车的技术路线,比较热门的技术有两个:氢燃料电池技术、车用甲醇燃料。前面分析过,动力电池比能量低,新能源汽车技术路线比较多,随动力电池能量密度的提升,有些技术方案(日本式混合动力、超级电容)就出局了。如果2025年动力电池实现系统密度260瓦时/公斤,氢燃料电池技术,车用甲醇燃料的前景如何?

    ①车用甲醇燃料技术已经被用户放弃。山西是车用甲醇燃料技术试点省份,基本理由是山西煤炭多,发展车用甲醇燃料技术,可以提高煤炭使用效率。由于甲醇燃料技术也用的是发动机,必须要开发新的、专用的发动机。可以想一想,要在目前发动机技术的基础上上,再开辟一个全新的发动机,其技术难度有多大?吉利汽车公司老总李书福先生,在2017年3月的人大会,有一个提案,倡议发展甲醇汽车。而山西省一些甲醇燃料汽车用户试用后,就基本放弃了。基本理由是,甲醇排放尾气,对排气管腐蚀性很强。(注:一句话,新技术呼吁政府支持容易些,但是要赢到客户,却是十分困难。)

    ②氢燃料电池技术目前比较热。一是专家在高峰论坛极力推荐,二是有联合国支持示范项目,三是有些政府领导也比较热衷。

    现在问题来了,动力电池实现系统密度260瓦时/公斤了,氢燃料电池技术要用到车上的且入口在哪里?在公交,已经不现实了。理由如下:

    a)目前纯电动公交车总体技术成熟度远远高于氢燃料电池技术,如:氢燃料电池寿命同样满足不了公交车的要求。

    b)纯电动公交车要充电设施支持,而氢燃料电池同样加氢站支持。而加氢站建设要重新起步。供电体系是完毕的,氢的来源在哪里?

    c)氢燃料电池技术要用公交车上,目前他不能直接给大家供电,即离不开动力电池的支撑。氢燃料电池公交车比纯电动公交车结构更复杂,添加更多的附件。

    六、总结

    ①动力电池实现系统密度260瓦时/公斤,即使开发出氢燃料电池公交车在车辆技术上相当成熟,但是其用户的门已经没有了。

    ②如果公交车上的应用不是氢能汽车的切入口,那切入口在哪里?还得继续探索。

    ③一些专家认为,氢燃料电池汽车在国外商品化基本成熟,我国相当落后,我们必须要赶上;问题是我国已经是纯电动汽车大国,尤其技术已经超过外国,外国是不是一定要跟上我国纯电动汽车技术呢?显然,逻辑上不通。


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