詳解電動(dòng)汽車發(fā)展新思路，燃料電池與電池混合
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-29 14:28
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在純電動(dòng)、氫燃料電池汽車規(guī)模推廣和普及仍需諸多技術(shù)、基礎(chǔ)突破的當(dāng)下，“電電混合”這一技術(shù)路線呼聲漸高。
在10月舉辦的中韓汽車論壇上，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)、宇通、上汽等代表提及這一課題。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)常務(wù)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)張進(jìn)華表示：從技術(shù)上來說，這幾年形成一個(gè)比較有規(guī)模特色的，用“電電混合”動(dòng)力系統(tǒng)，就是燃料電池和電池的混合，這是目前比較符合燃料電池的發(fā)展水平，也符合燃料電池的技術(shù)特點(diǎn)，特別在商用車上。從2015年、2016年以來，到目前在氫能燃料電池發(fā)展，地方熱情高于中央。很多是地方推動(dòng)的研發(fā)和應(yīng)用發(fā)展。
宇通客車燃料電池開發(fā)高級(jí)經(jīng)理李飛強(qiáng)表示，宇通在做一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的匹配，以公交工況為例，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平均功率，包括動(dòng)力性的匹配動(dòng)力性的功率，最后達(dá)到燃料電池和動(dòng)力電池最優(yōu)的匹配。能量管理方面基于燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)耐久性多約束條件分析，研究電電混合動(dòng)力系統(tǒng)多層工作模式劃分機(jī)制，通過基于滯環(huán)區(qū)間的有限狀態(tài)能量管理控制技術(shù)，提升動(dòng)力系統(tǒng)的耐久性。
上汽集團(tuán)前瞻技術(shù)研究部程偉表示，從汽車用戶角度、行業(yè)角度看，燃料電池車和純電動(dòng)是相互補(bǔ)充的，是燃料電池和鋰電電池的關(guān)系。短期來看是一個(gè)補(bǔ)充關(guān)系，因?yàn)閷?duì)燃料電池車動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)仍然需要?jiǎng)恿﹄姵兀瑔?dòng)的時(shí)候輔助系統(tǒng)需要高壓的供電，在車輛制動(dòng)的時(shí)候能量回收需要?jiǎng)恿﹄姵兀瑒?dòng)態(tài)加速也需要?jiǎng)恿﹄姵氐难a(bǔ)充。燃料電池和純電動(dòng)在中長(zhǎng)期來講還是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。
在9月舉辦的2018全球未來出行論壇上，不少車企談到對(duì)鋰電池和氫燃料電池相結(jié)合的“電電混合”汽車的探索。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院教授章桐在接受記者采訪時(shí)表示，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)燃料電池功率普遍偏小的現(xiàn)狀，“電電混合”是當(dāng)下較為適合中國(guó)國(guó)情的發(fā)展路線。
此前，也有國(guó)內(nèi)某電池專家在一次會(huì)議上提到，做燃料電池的人完全可以考慮電電混合或者是做一個(gè)增程式的燃料混合動(dòng)力車。氫燃料電池汽車與純電動(dòng)汽車兩條發(fā)展路線并非是絕對(duì)平行的，兩者也可有交集，實(shí)現(xiàn)兩種路線的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
中國(guó)在這一技術(shù)路線上起步并不晚于國(guó)外。在去年年底舉行的第二屆氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展國(guó)際交流會(huì)上，長(zhǎng)江公交“氫”裝上陣，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池與氫燃料電池“電電增程”方式的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。
國(guó)內(nèi)鋰電池產(chǎn)業(yè)擁有一定優(yōu)勢(shì)，發(fā)展“電電混合”技術(shù)路線較為實(shí)用，也更具經(jīng)濟(jì)性。通過與鋰電池結(jié)合，能在合理的范圍內(nèi)適當(dāng)降低燃料電池系統(tǒng)的功率，從而起到降低產(chǎn)品成本的目的。
業(yè)內(nèi)人士指出，燃料電池存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢問題，當(dāng)車輛的運(yùn)行狀態(tài)在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生急劇變化（如起步、急加速），動(dòng)力系統(tǒng)往往無法達(dá)到車輛所需的功率，但鋰電池恰好就能解決這些問題。由鋰電池提供車輛加速、減速等非穩(wěn)態(tài)下所需的大功率，而燃料電池則用來提供穩(wěn)定工況下的輸出功率。“電電混合”能通過鋰電池解決電動(dòng)汽車的電控問題，同時(shí)用氫燃料電池來解決電動(dòng)汽車的續(xù)航問題。
以長(zhǎng)江電動(dòng)客車作為開發(fā)平臺(tái)的廣東泰羅斯汽車動(dòng)力系統(tǒng)公司已通過國(guó)家強(qiáng)制性測(cè)試，進(jìn)入國(guó)家氫能車公告目錄并進(jìn)行小批量生產(chǎn)。明年將形成批量生產(chǎn)能力。
氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源。從目前看，新能源車主流方向是純電動(dòng)，但從未來看，氫動(dòng)力應(yīng)該是終極之路。自2015年豐田推出“未來”、本田推出“清晰”、現(xiàn)代推出“NEXO”氫燃料電池汽車量產(chǎn)后，日韓汽車企業(yè)的超前行動(dòng)對(duì)汽車行業(yè)沖擊很大，中國(guó)開始追趕。
業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，“電電混合”并不是過渡階段的技術(shù)路線，這一路線將長(zhǎng)期存在，且未來氫燃料電池系統(tǒng)在“電電混合”汽車產(chǎn)品中所起到的作用會(huì)越來越大，發(fā)展大功率的氫燃料電池系統(tǒng)勢(shì)在必行。
留給我們的窗口期已經(jīng)不多，單純依靠純電動(dòng)的技術(shù)路線并不能滿足市場(chǎng)替代戰(zhàn)略的現(xiàn)實(shí)需求，電動(dòng)汽車與可再生能源的結(jié)合將是實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵，現(xiàn)階段氫-電混合將是較適合的技術(shù)路線，將在替代燃油汽車細(xì)分市場(chǎng)戰(zhàn)略中發(fā)揮主力作用。
磷酸鐵鋰電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，這名字太長(zhǎng)，簡(jiǎn)稱為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于作動(dòng)力方面的應(yīng)用，則在名稱中加入“動(dòng)力”兩字，即磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。也有人把它稱為“鋰鐵(LiFe)動(dòng)力電池”。
意義
截止本人增補(bǔ)此詞條(2013年4月24日)，金屬交易市場(chǎng)，鈷(Co)最貴，并且存儲(chǔ)量不多，鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜，而鐵(Fe)最便宜。正極材料的價(jià)格也與這些金屬的價(jià)格行情一致。因此，采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應(yīng)是最便宜的。它的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境無污染。
作為充電電池的要求是：容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電、電化學(xué)穩(wěn)定性能、使用中安全(不會(huì)因過充電、過放電及短路等操作不當(dāng)而引起燃燒或爆炸)、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對(duì)環(huán)境無污染。采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池在這些性能要求上都不錯(cuò)，特別在大放電率放電(5～10C放電)、放電電壓平穩(wěn)上、安全上(不燃燒、不爆炸)、壽命上(循環(huán)次數(shù))、對(duì)環(huán)境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動(dòng)力電池。
結(jié)構(gòu)與工作原理
LiFePO4電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳(石墨)組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。
LiFePO4電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過程中，負(fù)極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來回遷移而命名的。
主要性能
LiFePO4電池的標(biāo)稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個(gè)生產(chǎn)廠家采用的正、負(fù)極材料、電解質(zhì)材料的質(zhì)量及工藝不同，其性能上會(huì)有些差異。例如同一種型號(hào)(同一種封裝的標(biāo)準(zhǔn)電池)，其電池的容量有較大差別(10%～20%)。
磷酸鐵鋰動(dòng)力電池主要性能列于表1。為了與其他可充電電池的相比較，也在表中列出其他種類可充電電池性能。這里要說明的是，不同工廠生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池在各項(xiàng)性能參數(shù)上會(huì)有一些差別;另外，有一些電池性能未列入，如電池內(nèi)阻、自放電率、充放電溫度等。
磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的容量有較大差別，可以分成三類：小型的零點(diǎn)幾到幾毫安時(shí)、中型的幾十毫安時(shí)、大型的幾百毫安時(shí)。不同類型電池的同類參數(shù)也有一些差異。這里再介紹一種目前應(yīng)用較廣的小型標(biāo)準(zhǔn)圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的參數(shù)。其外廓尺寸：直徑為18mm、高650mm(型號(hào)為18650)，其參數(shù)性能如表2所示。
過放電到零電壓試驗(yàn)
采用STL18650(1100mAh)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池做過放電到零電壓試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿，然后用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組：一組存放7天，另一組存放30天;存放到期后再用0.5C充電率充滿，然后用1.0C放電。最后比較兩種零電壓存放期不同的差別。
試驗(yàn)的結(jié)果是，零電壓存放7天后電池?zé)o泄漏，性能良好，容量為100%;存放30天后，無泄漏、性能良好，容量為98%;存放30天后的電池再做3次充放電循環(huán)，容量又恢復(fù)到100%。
