钜大LARGE | 点击量：553次 | 2021年08月26日
氢燃料动力锂电池车技术前景怎样
“我国已经形成了电-电混合的技术优点，适合燃料动力锂电池技术的特点。”
全国政协副主席、我国科学技术协会主席、前科技部部长万钢，是氢燃料动力电池技术路线的支持者。他在论述我国氢燃料动力锂电池技术的时候，常常提及前面这个论断。
氢燃料动力锂电池既然这么好，为啥还要混合驱动汽车？我国搞“电-电”混动，是否因为技术水平太差了？今朝能否判定氢燃料动力锂电池技术的前景？
我们逐个来分解分解。
电电混合的由来
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
汽车行驶在道路上，行驶状态不断变化，上下坡、加减速，要发动机/电动机输出不同的功率。倘若一辆燃料动力锂电池汽车，通过燃料动力锂电池发电笔直驱动电机，就要燃料动力锂电池不断变化功率载荷。
然而，燃料动力锂电池仿佛并不太喜欢变载，变载非得让进气（氢气、空气）等外部条件随之变化。
从燃料动力锂电池电堆（燃料动力锂电池系统最核心的发电单元）的角度看，电堆的主歧管流道、入口流道、分配流道、（反应）微流道等等，都是基于某一工况范围设计的。今朝电堆功率越设计越大，动辄百千瓦上下。迫于对功率密度的需求，往往要通过大电流密度实现。这让通气条件在全工况下适应非常困难。在负载过大或过小时，电堆可能只能短时间工作，以戒备因水热问题造成损坏。
从系统角度讲，燃料动力锂电池的辅助系统（bOp，balanceofplant）仿佛也不太喜欢变载。比如空压机会有最适宜的一段输出区间，此区间空压机效率较高，且工作稳定。另外，比如更简单的管路，由于管径固定，倘若气体量太小，那么气体压力无法控制；倘若气体量太大，那么会有很大的压降损失，甚至造成密封失效。
从能量角度讲，所有“体外循环”的电池，在工作过程中，都会有能量的损耗。因为维持电堆运行的供气系统、冷却系统都会消耗能量。当电堆出力较低时，bOp待机功耗相对纯电动系统更大（如同汽车怠速的效果）。同时电堆低功率出力时，为了平衡流场设计和水热管理，往往进气计量数更大。系统能效整体降低。
现代FCV
虽然燃料动力锂电池不喜欢变载，但并不代表不能变载。可以通过系统管理来实现。但这是个及其复杂的过程。当系统要求电堆出力提高时，氢气和空气的进气量随之提高，电堆电流密度上升，电堆输出功率上升（但可能伴随效率下降），发热量也随之上升。冷却系统控制冷却泵新增循环水量。氢循环泵循环量增大，阴极（或阳极）排气量和排水量也随之发生变化。
与此同时，电堆单池之间的差异也可能随之增大，系统会采取诊断和保护措施……
可能就是上坡跟车时的一脚油门，系统就要做出一连串的复杂动作。倘若哪一步没跟上，燃料动力锂电池就像一台涡轮迟滞分明的早起涡轮增压发动机，甚至笔直故障。同时，频繁的功率变化也会让燃料动力锂电池的寿命加速衰减。
因此，燃料动力锂电池整套管理机制，要设计的相当严谨。倘若说传统电动汽车是电和热的组合，那么燃料动力锂电池则至少多出两个维度：气体（氢气和空气）和水（氢氧反应出现的水以及冷却液）。电、热、空、氢、水五场合一，相互联动。再加上日益增大的单堆功率，让系统的控制难度呈几何级数上升。燃料动力锂电池的成本当中，系统成本至少占三分之二，也是可以理解的。
电电组合的出现，可以大大降低系统管理的难度。因为大部分情况下，通过电池可以减小电堆功率的调节范围。当前，电电混合的常见形式有三种。分别是能量存储、功率平衡、增程续航。
（1）“丰田模式”：能量存储型
在丰田的系统中，搭载了镍氢电池以实现电电混合。而镍氢电池的用途，紧要用于能量的回收储存，这是丰田的表述。能量存储并非目的，将能量转化成可用动力才是关键。因此，我认为“丰田模式”的电电混合，仍是以“削峰填谷”作为目标。
丰田选择镍氢电池实现电电组合，我想多半是来自于丰田在普锐斯上技术的积累。在普锐斯上，丰田配置了168个单体电压为1.2V的镍氢电芯，总储能容量为1.3kWh，藉此保证普锐斯的发动机始终在最“佳”的工作状态。
在城市行驶的工况下，普锐斯的管理系统，将电池的充放电深度控制在很小的范围之内，而仪表盘上的SOC显示，只是电池可用范围上的消耗百分比。浅充浅放的使用场景，保证了镍氢电池的寿命。
Mirai借鉴了相近的结构。将镍氢电池与燃料动力锂电池耦合相连。在刹车时，回收能量存储与电池当中。通过燃料动力锂电池发电和能量回收，始终保证镍氢电池在“适宜”的SOC范围。在系统变载时，镍氢电池向系统输出瞬时功率，让系统更加平顺。
同时，镍氢电池属于“水系”电池，因此在使用过程中，相比锂离子电池，在出现故障时，电池本体起火的可能性更低。因此，就安全性来说更胜一筹。
简单总结丰田的电电混合模式，从表面上看，是有关能量的回收。但是其本质，还是“削峰填谷”，从而让燃料动力锂电池工作在最佳的状态。
（2）本田模式：功率平衡型
本田对燃料动力锂电池汽车的开发，可以追溯到上世纪的80年代。第一代FC样机的试验，确实奥德赛上完成的。时隔三十年，本田的Clarity，又以全新的姿态，展现FCV的技术。
本田的核心技术，是将燃料动力锂电池发动机集成到和V6标准发动机相同的大小。这让Clarity在布置上，可以大量借鉴传统汽车的结构，降低设计风险。
本田的电电混合系统，由燃料动力锂电池、锂离子电池通过本田特有的部件FCVCU进行连结。
燃料动力锂电池电压控制器（FCVCU）是实现“本田模式”的关键部件，它是一种高效的电压调节装置。使用SIC-IpM，（我对这个技术的翻译是碳化硅智能电源模块，不了解官方有没有更炫的名字。）让本田以极小的体积实现对燃料动力锂电池电堆电压的转化。
下图是FCVCU的工作原理图。相比丰田强调的回收制动能量，本田的电电混合技术更增强调对功率的提升。本田通过FCVCU将燃料动力锂电池电压提升至500V，燃料动力锂电池可以和锂离子电池同时出力。在最高功率时，锂离子电池出力占整个系统的30%。
揣测本田的设计思路，就是通过电压的控制，新增锂离子电池对系统出力的比例，反向也能让燃料动力锂电池出力范围变化更加缓和。
（3）增程续航
市面上还有另外一种燃料动力锂电池和锂离子电池混合的电电混动技术：即燃料动力锂电池只为锂离子电池充电，锂离子电池单一驱动电机。我曾在展会上见过类似的使用。燃料动力锂电池在几个相对固定工况下工作，使控制难度进一步降低。但是这种纯粹以“增程”为目的的FCV使用，本质上是牺牲功率换取续航的做法。
总结一下电电混动的技术，简单说就是储能电池像一个蓄水池般不断地充放调整，以平衡系统的功率特性和容量特性。各家技术的差别，在于所配备“蓄水池”的大小不同。倘若单从技术上来评价，丰田仅仅配备了2kWh的镍氢电池，在燃料动力锂电池管理技术上来说，最为先进。但也要从成本和寿命上综合考虑。
燃料动力锂电池汽车的优点在哪
与电动汽车相比，燃料动力锂电池汽车在形式上更加符合汽车的要求。一般来说，燃料动力锂电池汽车在几分钟，便可洋溢满足500公里续航的氢气；而特斯拉的ModelS，最多只能保证在20分钟内洋溢续航300公里的电能。当我们计算成本的时候，很少把使用的方便性计算进去。因此，和很多人观点相同，补充氢气更方便是燃料动力锂电池的最核心优点。
特斯拉第三代超充峰值功率提升到250kW
在此，我想追问两个问题。第一个问题，虽然充电更为耗时，可否用商业模式去弥补？
我曾见过这样一个项目，将充电站和购物休闲相结合？其所谓的痛点，就是帮人们“打发”充电的等待时间，同时出现利润。说实话，我个人对类似商业模式的评价是一个字：尬！也许反过来，一个成熟的商业中心供应一些充电服务更加适宜。
第二个问题，倘若在技术上，提高充电桩的功率，让充电更加快速，从而减少等待时间。届时燃料动力锂电池还有没有优点？
虽然技术上也许可行，我觉得并非一个好的处理办法。首先，直流快速充电对电池耐用性和寿命上的伤害，一直是一个让人担心的问题。一些纯电动汽车制造商甚至会笔直提议少用快充，以提高电池寿命。其次，提高充电速度，会降低系统的效率，新增能量损失。暂且不提损失的能量有多少，从设计理念上看，多少与绿色理念背道而驰。第三，大面积的快充装置对能源结构有影响。
从上述分解可以看出，一味地提高充电功率，是既损失效率，又损失电池寿命的做法。将来对新能源汽车的要求可能车型更大，续航时间更长，充电时间更短，这就更加凸显了电池所带来的木桶效应。燃料动力锂电池的优点则更加彰显。即使把加氢时间降低到3分钟以内，也不会对电堆有丝毫的影响。
当然，我们可以寄希望于将来锂离子电池技术的发展。比如所谓的全固态电池技术。但是，在此我想引用现代的技术专家说的一句话：“虽然我们对将来的创新有所期望，但是终归只是猜想。”
氢能更加低效吗？
1度电，可以让电动汽车行驶5~7公里，但是倘若把1度电制造成氢气，再将能量释放出来行驶，那么行驶里程可能惟有三分之一。那么为甚么一定要用氢气？
电动汽车业内的大佬马斯克认为氢是一种低效的能源。能源经过的多次转换，看似远不如笔直用电高效。
相同的质疑声，也会指向纯电动汽车。一些人认为当下的新能源汽车，只是从“烧油模式”转变为“烧煤模式”。
对此，我们非得明确，能源是从哪里开始计算的？美国能源部提出了2035年全周期能耗（bTUs/miles）的评价。bTU，指的是英热单位，1度电约等于3412bTUs。而所谓全周期，指的是从最初的能源加工到被车轮消耗掉的整个过程。详尽如下图所示。
从上面两幅图，可以看出电动汽车和燃料动力锂电池汽车，在全周期尺度上的能耗，都在相类似的范围之内，并没有太大差别。不论是丰田还是现代，他们都考虑从全周期的尺度上考虑新能源汽车的能效问题。丰田曾表示氢气的加工到灌充至储氢瓶中的过程，相比电的出现并洋溢电池更加高效，但并未给出此结论的出处，因此仅供大家参考。
总结：最后一点担忧
从2015年新能源汽车飞速发展，我便对电池的回收处置问题开始担忧。燃料动力锂电池中催化剂用铂可以从电堆中笔直回收，今朝如庄信万丰这样的老牌贵金属供应商，已经着手于铂回收技术的开发。而相比之下，锂离子电池的回收，面对着很大的挑战。
首先电池在回收分析处置，存在着多种化学过程，技术复杂且有技术壁垒。在回收的过程，可能对环境造成较大的影响。同时，缺乏标准化的流程也是问题之一。
更紧要的是，可能没有回收价值。曾有公司对从动力锂离子电池中回收锂做了估算，其成本约是从卤水中提取锂的5倍之多。电池成本越低，可回收的价值就越差。经济账算不过来，很难让人有做好这件事的动力。但是倘若任由电池内的废弃物任意排放，比如镍和钴，都会对人体出现极大影响。
进一步讲，任何电池，倘若不能形成从加工到回收形成闭环，那很难用“可再生”三个字来形容它。在追求电动化的今天，作为主角的锂离子电池，可能存在着严重的成本失真。当电池回收处置这件事不得不做的时候，本着“谁加工谁负责”的原则，锂离子电池的成本可能进一步上升。起码可以判断，锂离子电池的成本不会继续降低，当我们也可以从“全周期”的角度去认识新能源汽车的时候，也许会开始重视那些潜在的成本和收益。
当前情况下，燃料动力锂电池并未形成产业化规模，技术路线尚未定型。在此时时常被牵出来和锂离子电池作比较，确实不太公平。让汽车走遍千家万户的，并非是发动机的发明者，也不是第一辆汽车的制造者，而是福特的加工线。因此在技术成形之初，对技术成与不成的任何笃信，都显得有几分狂妄。
丰田Mirai动力系统图示
我有一次问丰田的一位专家：将来技术方向有什么？
丰田的专家并未给我明确的答案，而在我们交流的过程中，他不止一次的提到了成本。丰田的今天采取的技术路线，是过去的积累。丰田的将来，要看将来的成本如何的。
消费者最优先关心的，并不是能效，或者是否“电电混合”。但是倘若给他们一个合理的价格，好的体验，他们中的一些人会愿意选择更加环保的产品。
