深度解讀未來汽車動力源:燃料電池VS鋰電池
欄目:行業資訊 發布時間:2014-02-28
幾個月前,特斯拉CEO“給力哥”Elon·Musk在德國接受外媒采訪時將燃料電池(Fuel Cell)稱為“傻瓜電池”(Fool Cell)

 幾個月前,特斯拉CEO“給力哥”Elon·Musk在德國接受外媒采訪時將燃料電池(Fuel Cell)稱為“傻瓜電池”(Fool Cell),并表示:“他們非常愚蠢,就算從理論上實現燃料電池的最佳性能,也無法同今天的鋰離子電池抗衡?!彼€指出鋰離子電池還有很大潛力沒有發掘。

  而另外一方面,通用汽車和豐田等多家車企巨頭各自同合作伙伴簽訂合作開發燃料電池協議,計劃未來數年內推出燃料電池車投入實用。早在2011年豐田就在東京車展上就亮相了FCV-R氫燃料電池概念車,今年東京車展則將展出量產型號。豐田公司同寶馬簽署協議在四個領域進行合作,其中就包括燃料電池。

  除了豐田,通用汽車和本田汽車宣布將聯合開發下一代燃料電池技術,以便2020年投放到市場。韓國現代汽車已經率先投產燃料電池車,福特、戴姆勒和雷諾-日產正合作開發燃料電池技術。

  豐田表示,即將量產的燃料電池車售價大約接近寶馬5系或者特斯拉Model S,大約為5萬美元左右,一次加注燃料續航里程高達300英里(483公里)。因而性價比具有較高的競爭力。

  那么到底是特斯拉的給力哥對,還是豐田以及一眾車廠對,為什么會有燃料電池和鋰離子電池之爭,未來電動車的動力之源會是什么呢?我們來做一個深度解讀。

  電動車和傳統汽車

  現在林林總總的電動車,其實是傳統汽車的一個延續,人們做的,只是把傳統汽車動力部分、燃油部分換成了電機和電池。

  電動車的歷史其實非常非常悠久,1839年,蘇格蘭的羅伯特·安德森給四輪馬車裝上了電池和電動機,將其成功改造為世界上第一輛靠電力驅動的車輛。內燃機汽車的發明時間則要推遲到四十余年之后的1885年10月,卡爾·奔馳設計制造了世界上第一輛三輪汽油汽車,同年戈特利布·戴姆勒也制造出了一部四輪汽油汽車。兩人各自成立了自已的汽車公司,1926年兩家合并為戴姆勒-奔馳汽車公司。

  電動車在歷史上經歷過三個發展期,1885年到1915年是電動車的第一次黃金時期。這一期間,由于內燃機技術相當落后,行駛里程短,故障多,維修困難,不及電動車,因此電動車在這一時期被普遍認可。當時美國總統的座駕就是電動車,而不是內燃機汽車。

  第二個階段是60年代,中東戰爭引發石油危機的大背景下,美國通用汽車公司與福特汽車公司分別研發了新型電動汽車。雪鐵龍、標致則將現有車型改裝成小型電動汽車。以此為契機,全球掀起了電動車熱潮。

  第三個階段是20世紀90年代后,隨著鋰電池技術的進步,成本的降低,電動車的性能有了巨大提升。最終實現了特斯拉、日產等的量產電動車。

 從電動車的歷史可以看出,電動車和傳統的內燃機汽車,實際上是平行發展,互相競爭的關系。當電動車的性能、成本、用戶體驗高于內燃機汽車的時候,電動車就有一個黃金發展期,而當內燃機技術進步,體驗超過電動車時,電動車就歸于沉寂。

  電動車性能的關鍵因素:動力電池

  對于電動車來說,性能、成本、用戶體驗能否壓倒內燃機汽車,關鍵在于動力電池。

  我們知道,汽車能跑,是因為發動機和變速箱工作,給汽車提供動力,電動車能跑是電池和電動機提供動力。電機技術經過百年的發展,已經非常非常成熟。

  無論是單位重量的功率、還是效率、壽命、成本、控制,都遠遠優于發動機。同等功率的電機往往比發動機便宜,壽命更長,維護保養也更簡單。理論上電動車應該遠比內燃機汽車更有競爭力,而問題的關鍵就卡在電池上。

  眾所周知,汽車運動是需要能量的,內燃機汽車的能量來自于汽油或者柴油的燃燒,熱能轉化成動能。而電池通過電機,把電能轉化成動能。而現在電動車遇到的問題就是同樣的重量,同樣的體積,電池提供的能量遠遠低于汽油和柴油,也就是能量密度低。

  所以,同樣跑300公里,汽油車只需要30升的油箱,只需要20多公斤汽油,而即使采用了先進鋰離子電池的電動車,也要600多公斤的巨大電池包,還不算保護電路,電池包本身的保護的重量。

  如果用鉛酸電池,則需要1噸到2噸的沉重電池包,而一輛家用轎車正常的重量也不過1噸多。

  除了能量密度,電池還有一個功率密度的概念,動力電池能夠釋放的最大電流是有限的,電壓是有限的。即使電動機功率很高,電池瞬間放電能力不行,也會影響電動車的性能。

  動力電池的分類

  目前,電動車用的動力電池種類其實非常多,但是真正實用化的并不多。因為很多電池都有這樣或者那樣的問題。世界上大部分廠商都選擇了鋰電池,細節材料上有使用三元鋰電池的,有使用磷酸鐵鋰的,有使用錳酸鋰的,但是它們都可以歸結到鋰電池的范疇,需要充電放電,有循環次數。

  氫燃料電池和鋅空氣電池都不是充電電池,是靠消耗其他材料(氫氣,鋅)產生電能,需要添加其他材料才能維持運行,更類似傳統燃油車加油的概念。

 還有幾種比較另類的電池,一般當作動力電池的輔助使用。下面我們就來詳細說說各類電池的特點和用于汽車的優劣。

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  首先我們來看被“給力哥”諷刺為傻瓜電池的氫燃料電池。燃料電池并不是一個新東西,它的歷史可以追溯到1838年,德國化學家提出了燃料電池的理論。真正實現商用化則是1955年的事情,美國通用電氣的工程師造出來實用化的氫燃料電池,隨即就應用了到美國太空探索的雙子星計劃(題外話,有興趣的可以搜索一下紀錄片《從地球到月球》,看看美國人的雙子星計劃,阿波羅計劃,再看看中國的神舟計劃,嫦娥計劃)。

  1991年發展出來可以應用于汽車的氫燃料電池,這就是今天氫燃料電池的來源。

  相對于其他電池,氫燃料電池最大的優勢是能量密度極高,實驗室可以做到3千瓦時每公斤,比其他類型的電池都高很多。用于汽車可以以更小的體積和重量,提供更長時間的續航。

  但是,氫燃料電池也存在問題:

  一是價格,氫燃料電池的核心零件是質子交換膜和鉑催化劑,都是非常昂貴的材料,用在不計成本的航天可以,用在汽車上昂貴的價格讓氫燃料電池普及困難,即使到2015年,豐田也只敢說整車5萬美元,30多萬人民幣。而目前的價格是150萬到200萬人民幣,遠遠高于燃油車和鋰電池電動車;

  二是燃料的來源和儲存,氫燃料電池需要氫氣,氫氣本身并沒有產業鏈支撐,制造,運輸,儲存,加注都極不方便,成本又很高,危險還很大,相比燃油車和鋰電池車成熟度太低。

  從用戶體驗角度,氫燃料電池車還有很長的路要走。給力哥諷刺氫燃料電池為“傻瓜電池”,也不是完全沒有道理。

(二)鋅空氣電池

  鋅空氣電池的歷史也很悠久,可以追溯到1878年。鋅空氣電池更加類似我們所實用的干電池,實際上在很多領域,鋅空氣電池也在替代干電池。

  鋅空氣電池的能量密度較高,可以達到每公斤0.3千瓦時,比鋰電池高一,并且價錢便宜,鋅材料比鋰便宜的多。

  但是鋅空氣電池也有兩個問題:

  首先功率密度低,使用鋅空氣電池的電動車的雖然續航里程不遜色于鋰電池電動車,但是加速、爬坡性能都很糟糕,實用性不佳;

其次產業鏈不匹配,鋅空氣電池和氫燃料電池類似,也需要更換材料,鋅空氣電池需要把氧化鋅更換為金屬鋅,這就需要從發電廠,到電解鋅工廠,鋅電池制造廠,到汽車換電池站等一系列的產業鏈配套。這些都要從頭開始,同樣遠不如鋰電池成熟,要實用化也需要走很長的路。

(三)飛輪電池

  飛輪電池是最近幾十年才發展出來的新型電池,它不是傳統的化學能轉化成電能的化學電池,而是內部有一個高速旋轉的飛輪,靠飛輪動能儲存能量的電池。

  飛輪電池沒有化學物質,不存在爆炸燃燒之類的安全性問題,也不怕溫度變化,環境惡劣,循環壽命非常長。更可貴的是飛輪電池有極高的功率密度,達到5-10KW/kg,遠高于其他類型的電池,盡管能量密度和鋰電池差不多,但是高功率密度可以帶來極好的汽車加速性能,在能量回收的時候,也就可以承受更大的功率。

  在保時捷918的概念車上,副駕駛位置就是一個飛輪儲能系統飛輪電池唯一的缺點就是貴,技術上,性能指標上,安全性上,飛輪電池都很適合汽車使用,但是高昂的價格注定它只可能出現在豪華車或者超跑上,而不能進入大眾用汽車。

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  鋰電池的歷史可以追溯到70年代,是目前應用最廣泛的電池。

  汽車用的動力鋰電池,其實也分好幾類,特斯拉最新用的松下電池已經是三元鋰電池了,三元鋰電池的能量密度、功率密度、安全性比較均衡,是中庸之選。

特斯拉的優勢是,用軟件的辦法,解決了充放電過程中的安全性問題。使得本來不偏重安全的三元鋰電池可以應用于汽車。

  但是特斯拉的電源管理技術解決不了穿刺問題,只能靠加強電池包的保護來解決,遇到極端碰撞,強大的沖擊力擊破電池包的保護,特斯拉依然會起火爆炸,只是高強度的保護給了車主逃生的時間。

  磷酸鐵鋰(也就是比亞迪所謂的鐵電池)是應用比較廣泛的電池,它的優勢是安全性相對比較好,盡管也有事故,但是相對其他鋰電池已經是最好的了。它的功率密度比較好,可以大倍率放電,有不錯的加速性能。在循環壽命方面磷酸鐵鋰也有優勢,長期使用成本相對較低。

  磷酸鐵鋰的缺點是能量密度相對較低,同樣重量續航里程沒有優勢。此外,低溫性能比較差,冷天電量會損失很多。

  綜合看,磷酸鐵鋰還是被一致看好的動力電池。

  錳酸鋰電池,日本企業用的很多,優點是低溫性能比較好,低溫電量損失沒有磷酸鐵鋰那么嚴重,價格也便宜,安全性不如磷酸鐵鋰,但是還不錯。但是材料本身不太穩定,容易產生氣體。

  小結:

  從目前的技術看,氫燃料電池、鋅空氣電池都需要新建一個產業鏈來支撐,這需要很長的時間和大量的投資,而且兩者都有弱點,競爭力很弱,很長一段時間不會有什么希望。

  飛輪電池性能優異,但是價格昂貴,如果能找到大幅度降低成本的辦法,飛輪電池是最適合電動車的,可惜目前還沒有找到的跡象。這就決定未來很長一段時間,飛輪電池只能出現在一些超高價的豪華車和超跑上。

  鋰電池從發明以來,隨著技術的進步和產業化的擴充,每年都有小幅度的降價和容量提升。

  特斯拉在2012年以后火爆,并不是特斯拉的技術領先多少,日本在2005年就開發出來了性能比特斯拉Model S更優異的Eliica,但是當時鋰電池的高昂價格注定這個產品只是試驗品。

  比亞迪正在開發性能不遜色于特斯拉Model S的E9,而做為電動車和燃油車過度的插電混合動力車,比亞迪秦馬上上市,寶馬混合動力的i3、i8都要上市,保時捷918也已經預訂。這背后就是2013年鋰電池的價格已經降低到一個可以接受的范圍。

  未來幾年,隨著鋰電池價格的進一步下降和容量的進一步提升,電動車、插電混合動力車會越來越便宜,性能越來越好,電動車取代燃油車的進程才剛剛開始。



 

 

 

 







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