谈谈动力电池实现300瓦时/公斤的可行性及实现后所带来的影响

      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”车如何了。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。