燃料电池VS锂电池,谁将统治未来汽车动力源?

2013-11-14 18:00:27来源: 互联网

    几个月前,特斯拉CEO“给力哥”Elon·Musk在德国接受外媒采访时将燃料电池(Fuel Cell)称为“傻瓜电池”(Fool Cell),并表示:“他们非常愚蠢,就算从理论上实现燃料电池的最佳性能,也无法同今天的锂离子电池抗衡。”他还指出锂离子电池还有很大潜力没有发掘。

    而另外一方面,通用汽车和丰田等多家车企巨头各自同合作伙伴签订合作开发燃料电池协议,计划未来数年内推出燃料电池车投入实用。早在2011年丰田就在东京车展上就亮相了FCV-R氢燃料电池概念车,今年东京车展则将展出量产型号。丰田公司同宝马签署协议在四个领域进行合作,其中就包括燃料电池。

    除了丰田,通用汽车和本田汽车宣布将联合开发下一代燃料电池技术,以便2020年投放到市场。韩国现代汽车已经率先投产燃料电池车,福特、戴姆勒和雷诺-日产正合作开发燃料电池技术。

    丰田表示,即将量产的燃料电池车售价大约接近宝马5系或者特斯拉Model S,大约为5万美元左右,一次加注燃料续航里程高达300英里(483公里)。因而性价比具有较高的竞争力。

    那么到底是特斯拉的给力哥对,还是丰田以及一众车厂对,为什么会有燃料电池和锂离子电池之争,未来电动车的动力之源会是什么呢?我们来做一个深度解读。

电动车和传统汽车

    现在林林总总的电动车,其实是传统汽车的一个延续,人们做的,只是把传统汽车动力部分、燃油部分换成了电机和电池。

    电动车的历史其实非常非常悠久,1839年,苏格兰的罗伯特·安德森给四轮马车装上了电池和电动机,将其成功改造为世界上第一辆靠电力驱动的车辆。内燃机汽车的发明时间则要推迟到四十余年之后的1885年10月,卡尔·奔驰设计制造了世界上第一辆三轮汽油汽车,同年戈特利布·戴姆勒也制造出了一部四轮汽油汽车。两人各自成立了自已的汽车公司,1926年两家合并为戴姆勒-奔驰汽车公司。

    电动车在历史上经历过三个发展期,1885年到1915年是电动车的第一次黄金时期。这一期间,由于内燃机技术相当落后,行驶里程短,故障多,维修困难,不及电动车,因此电动车在这一时期被普遍认可。当时美国总统的座驾就是电动车,而不是内燃机汽车。

    第二个阶段是60年代,中东战争引发石油危机的大背景下,美国通用汽车公司与福特汽车公司分别研发了新型电动汽车。雪铁龙、标致则将现有车型改装成小型电动汽车。以此为契机,全球掀起了电动车热潮。

    第三个阶段是20世纪90年代后,随着锂电池技术的进步,成本的降低,电动车的性能有了巨大提升。最终实现了特斯拉、日产等的量产电动车。

    从电动车的历史可以看出,电动车和传统的内燃机汽车,实际上是平行发展,互相竞争的关系。当电动车的性能、成本、用户体验高于内燃机汽车的时候,电动车就有一个黄金发展期,而当内燃机技术进步,体验超过电动车时,电动车就归于沉寂。

电动车性能的关键因素:动力电池

    对于电动车来说,性能、成本、用户体验能否压倒内燃机汽车,关键在于动力电池。

    我们知道,汽车能跑,是因为发动机和变速箱工作,给汽车提供动力,电动车能跑是电池和电动机提供动力。电机技术经过百年的发展,已经非常非常成熟。

    无论是单位重量的功率、还是效率、寿命、成本、控制,都远远优于发动机。同等功率的电机往往比发动机便宜,寿命更长,维护保养也更简单。理论上电动车应该远比内燃机汽车更有竞争力,而问题的关键就卡在电池上。

    众所周知,汽车运动是需要能量的,内燃机汽车的能量来自于汽油或者柴油的燃烧,热能转化成动能。而电池通过电机,把电能转化成动能。而现在电动车遇到的问题就是同样的重量,同样的体积,电池提供的能量远远低于汽油和柴油,也就是能量密度低。

    所以,同样跑300公里,汽油车只需要30升的油箱,只需要20多公斤汽油,而即使采用了先进锂离子电池的电动车,也要600多公斤的巨大电池包,还不算保护电路,电池包本身的保护的重量。

    如果用铅酸电池,则需要1吨到2吨的沉重电池包,而一辆家用轿车正常的重量也不过1吨多。

    除了能量密度,电池还有一个功率密度的概念,动力电池能够释放的最大电流是有限的,电压是有限的。即使电动机功率很高,电池瞬间放电能力不行,也会影响电动车的性能。

动力电池的分类

    目前,电动车用的动力电池种类其实非常多,但是真正实用化的并不多。因为很多电池都有这样或者那样的问题。世界上大部分厂商都选择了锂电池,细节材料上有使用三元锂电池的,有使用磷酸铁锂的,有使用锰酸锂的,但是它们都可以归结到锂电池的范畴,需要充电放电,有循环次数。

    氢燃料电池和锌空气电池都不是充电电池,是靠消耗其他材料(氢气,锌)产生电能,需要添加其他材料才能维持运行,更类似传统燃油车加油的概念。

    还有几种比较另类的电池,一般当作动力电池的辅助使用。下面我们就来详细说说各类电池的特点和用于汽车的优劣。

    (一)氢燃料电池

    首先我们来看被“给力哥”讽刺为傻瓜电池的氢燃料电池。燃料电池并不是一个新东西,它的历史可以追溯到1838年,德国化学家提出了燃料电池的理论。真正实现商用化则是1955年的事情,美国通用电气的工程师造出来实用化的氢燃料电池,随即就应用了到美国太空探索的双子星计划(题外话,有兴趣的可以搜索一下纪录片《从地球到月球》,看看美国人的双子星计划,阿波罗计划,再看看中国的神舟计划,嫦娥计划)。

    1991年发展出来可以应用于汽车的氢燃料电池,这就是今天氢燃料电池的来源。

    相对于其他电池,氢燃料电池最大的优势是能量密度极高,实验室可以做到3千瓦时每公斤,比其他类型的电池都高很多。用于汽车可以以更小的体积和重量,提供更长时间的续航。

    但是,氢燃料电池也存在问题:

    一是价格,氢燃料电池的核心零件是质子交换膜和铂催化剂,都是非常昂贵的材料,用在不计成本的航天可以,用在汽车上昂贵的价格让氢燃料电池普及困难,即使到2015年,丰田也只敢说整车5万美元,30多万人民币。而目前的价格是150万到200万人民币,远远高于燃油车和锂电池的电动车;

    二是燃料的来源和储存,氢燃料电池需要氢气,氢气本身并没有产业链支撑,制造,运输,储存,加注都极不方便,成本又很高,危险还很大,相比燃油车和锂电池车成熟度太低。

    从用户体验角度,氢燃料电池车还有很长的路要走。给力哥讽刺氢燃料电池为“傻瓜电池”,也不是完全没有道理。

    (二)锌空气电池

    锌空气电池的历史也很悠久,可以追溯到1878年。锌空气电池更加类似我们所实用的干电池,实际上在很多领域,锌空气电池也在替代干电池。

    锌空气电池的能量密度较高,可以达到每公斤0.3千瓦时,比锂电池高一,并且价钱便宜,锌材料比锂便宜的多。

    但是锌空气电池也有两个问题:

    首先功率密度低,使用锌空气电池的电动车的虽然续航里程不逊色于锂电池电动车,但是加速、爬坡性能都很糟糕,实用性不佳;

    其次产业链不匹配,锌空气电池和氢燃料电池类似,也需要更换材料,锌空气电池需要把氧化锌更换为金属锌,这就需要从发电厂,到电解锌工厂,锌电池制造厂,到汽车换电池站等一系列的产业链配套。这些都要从头开始,同样远不如锂电池成熟,要实用化也需要走很长的路。

    (三)飞轮电池

    飞轮电池是最近几十年才发展出来的新型电池,它不是传统的化学能转化成电能的化学电池,而是内部有一个高速旋转的飞轮,靠飞轮动能储存能量的电池。

    飞轮电池没有化学物质,不存在爆炸燃烧之类的安全性问题,也不怕温度变化,环境恶劣,循环寿命非常长。更可贵的是飞轮电池有极高的功率密度,达到5-10KW/kg,远高于其他类型的电池,尽管能量密度和锂电池差不多,但是高功率密度可以带来极好的汽车加速性能,在能量回收的时候,也就可以承受更大的功率。

    在保时捷918的概念车上,副驾驶位置就是一个飞轮储能系统飞轮电池唯一的缺点就是贵,技术上,性能指标上,安全性上,飞轮电池都很适合汽车使用,但是高昂的价格注定它只可能出现在豪华车或者超跑上,而不能进入大众用汽车。

    (四)锂电池

     锂电池的历史可以追溯到70年代,是目前应用最广泛的电池。

    汽车用的动力锂电池,其实也分好几类,特斯拉最新用的松下电池已经是三元锂电池了,三元锂电池的能量密度、功率密度、安全性比较均衡,是中庸之选。

    特斯拉的优势是,用软件的办法,解决了充放电过程中的安全性问题。使得本来不偏重安全的三元锂电池可以应用于汽车。

    但是特斯拉的电源管理技术解决不了穿刺问题,只能靠加强电池包的保护来解决,遇到极端碰撞,强大的冲击力击破电池包的保护,特斯拉依然会起火爆炸,只是高强度的保护给了车主逃生的时间。

    磷酸铁锂(也就是比亚迪所谓的铁电池)是应用比较广泛的电池,它的优势是安全性相对比较好,尽管也有事故,但是相对其他锂电池已经是最好的了。它的功率密度比较好,可以大倍率放电,有不错的加速性能。在循环寿命方面磷酸铁锂也有优势,长期使用成本相对较低。

    磷酸铁锂的缺点是能量密度相对较低,同样重量续航里程没有优势。此外,低温性能比较差,冷天电量会损失很多。

    综合看,磷酸铁锂还是被一致看好的动力电池。

    锰酸锂电池,日本企业用的很多,优点是低温性能比较好,低温电量损失没有磷酸铁锂那么严重,价格也便宜,安全性不如磷酸铁锂,但是还不错。但是材料本身不太稳定,容易产生气体。

小结:

    从目前的技术看,氢燃料电池、锌空气电池都需要新建一个产业链来支撑,这需要很长的时间和大量的投资,而且两者都有弱点,竞争力很弱,很长一段时间不会有什么希望。

    飞轮电池性能优异,但是价格昂贵,如果能找到大幅度降低成本的办法,飞轮电池是最适合电动车的,可惜目前还没有找到的迹象。这就决定未来很长一段时间,飞轮电池只能出现在一些超高价的豪华车和超跑上。

     锂电池从发明以来,随着技术的进步和产业化的扩充,每年都有小幅度的降价和容量提升。

    特斯拉在2012年以后火爆,并不是特斯拉的技术领先多少,日本在2005年就开发出来了性能比特斯拉Model S更优异的Eliica,但是当时锂电池的高昂价格注定这个产品只是试验品。

    比亚迪正在开发性能不逊色于特斯拉Model S的E9,而做为电动车和燃油车过度的插电混合动力车,比亚迪秦马上上市,宝马混合动力的i3、i8都要上市,保时捷918也已经预订。这背后就是2013年锂电池的价格已经降低到一个可以接受的范围。

    未来几年,随着锂电池价格的进一步下降和容量的进一步提升,电动车、插电混合动力车会越来越便宜,性能越来越好,电动车取代燃油车的进程才刚刚开始。

关键字:统治  未来  汽车

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/1114/article_8167.html
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