走出車輛設(shè)計(jì)誤區(qū)，降低對車載電池能量密度的期望

摘要：

A  從車載能源的有效能量密度、備用能量密度這兩個(gè)角度出發(fā)，你會發(fā)現(xiàn)整車的輕量化、及補(bǔ)能方式才是車載能源的關(guān)鍵。

B  即便電池能量密度已宣稱達(dá)到1000WH／KG，但對電動化車輛來說并不重要。全球近似瘋狂的電池研發(fā)可以進(jìn)入平靜的循序漸進(jìn)的合理過程。

2019年4月5日，瑞士Innolith AG宣布在其德國實(shí)驗(yàn)室“it is developing world’s first 1000 Wh／kg rechargeable battery”這個(gè)電池不只是能量密度高達(dá)1000Wh／kg，其原型產(chǎn)品在美國的實(shí)驗(yàn)室“this battery has been proven to operate for more than 55，000 full depth of discharge cycles”更是完成了高達(dá)55000次的快速充放電實(shí)驗(yàn)。更可喜的是這樣的電池更安全，不容易燃燒。（這些內(nèi)容來自Innolith AG官網(wǎng)，尚不得知該原型電池材料是否有毒、快速充電倍率和生產(chǎn)制造成本等）

這樣巨大的電池突破，讓人覺得這個(gè)世界馬上就要發(fā)生翻天覆地的變化。

然而，在作者看來，這樣的突破對于電動車來說，影響有限。原因在于1KWH／KG的電池能量密度，對車輛的有效能量密度提升并不明顯。而對于備用能量密度而言，比不上LY混動車的增程系統(tǒng)。

（交通工具單次補(bǔ)能從A地點(diǎn)到B地點(diǎn)。所耗費(fèi)的能量，除以整車空載質(zhì)量成為稱為有效能量密度。交通工具單次補(bǔ)能從A地點(diǎn)到B地點(diǎn)。所剩余在車上的能量，除以整車空載質(zhì)量稱為備用能量密度。有效能量密度說明整車輕量化很重要，是衡量單位能量轉(zhuǎn)化為車輛移動能力有效功的效率。備用能量密度跟儲能介質(zhì)能量密度有關(guān)，是衡量車輛能走多遠(yuǎn)里程）

當(dāng)前車輛設(shè)計(jì)存在一個(gè)非常大的錯(cuò)誤、認(rèn)為提升電池能量密度、或者氫燃料高能量密度的燃料是車輛設(shè)計(jì)的重中之重。但是、作者認(rèn)為高能量密度的電池對車輛有效能量密度提升貢獻(xiàn)率不高、而且電池備用能量密度遠(yuǎn)低于LY混動車的增程系統(tǒng)。

先看一下LY混動車的結(jié)構(gòu)框圖

圖 1 LY混動車結(jié)構(gòu)示意框圖

按照多參定因法的分析習(xí)慣，先確定一個(gè)跟車輛儲能無關(guān)的界限劃分，在純電動車中，電池是一個(gè)單獨(dú)因子。LY混動車中車載電池、增程系統(tǒng)是一個(gè)因子（發(fā)電電動機(jī)歸屬車輛車身結(jié)構(gòu)，與儲能有關(guān)，但是屬于分時(shí)復(fù)用，對整車重量沒有增加，只是降低了車輛的加速性能、降低了最高速度）。這個(gè)界限還可以進(jìn)一步劃分，LY混動車的電池電量與純電動車電池電量相互抵消扣除。也就是說我們只需要優(yōu)化增程系統(tǒng)、電池組的質(zhì)量。舉例說明。純電動車?yán)m(xù)航600公里，百公里耗電18度。需要108度電。LY混動車配置為20度＋增程系統(tǒng)。那么有只需要優(yōu)化、比較88度電容量與15KWe增程系統(tǒng)這兩個(gè)因子。

我們知道目前實(shí)驗(yàn)室電池最高能量密度水平是Innolith AG達(dá)到1KWH／KG。理論上電池最高能量密度則是2018年Goodenough研究室Braga女士開發(fā)出來的Li－S化學(xué)電池與超級電容復(fù)合類電池，其理論值達(dá)到8KWH／KG。實(shí)際有望達(dá)到30～40％。也就是3．2KWH／KG。

但是這些電池技術(shù)在LY混動車面前，毫無競爭力。

我們先看一下LY混動車的增程系統(tǒng)的能量密度

圖 2  LY混動車增程系統(tǒng)甲烷、柴油、甲醇、二甲醚在0～100KG的能量密度

圖2是設(shè)定15KWe的LY混動車增程系統(tǒng)有效發(fā)電量除以（整個(gè)增程系統(tǒng)凈重＋燃料重量）。這個(gè)圖表的設(shè)定條件為表1

在表1的工程技術(shù)條件下，假定100KG燃料全部用完柴油、甲醇、二甲醚、甲烷作為備用能源時(shí)的性能如下表。

我們使用性能最差的甲醇作為燃料，增程系統(tǒng)總重量為130KG。發(fā)電220度。而Innolith AG的1KWH／KG。電池需要220KG重量。比增程系統(tǒng)重90KG。燃料耗盡需要15小時(shí)，車載電池電量20度，百公里耗電15度。確保了不會出現(xiàn)電池電量耗盡的情況。能量密度上LY混動車勝出。

再比較一下補(bǔ)能方式，LY混動車使用80KW以上直流快充，15分鐘能充電達(dá)到16度以上。補(bǔ)充甲醇燃料，不會超過3分鐘。而240度Innolith AG的鋰電池，采用1000KW直流快充也最快需要14．4分鐘。這么大功率的的充電樁幾乎沒有辦法實(shí)現(xiàn)，如果使用120KW快充。最快也要2小時(shí)。補(bǔ)能方式上LY混動車勝出。

Innolith AG的鋰電池的制造成本未知，可以確定不會低于目前的磷酸鐵鋰電池。使用磷酸鐵鋰電池的制造成本1000元／度計(jì)算。240度電池需要24萬。而LY混動車需要2萬＋1萬＝3萬（增程系統(tǒng)的制造成本低于1萬元，使用摩托車發(fā)動機(jī)成本估算也就數(shù)千元）。

再比較一下耗能成本，我們采用國家生物質(zhì)上網(wǎng)側(cè)標(biāo)桿電價(jià)0．69元每度計(jì)算。（注意上網(wǎng)側(cè)，不是家用電）。燃料甲醇我們使用批發(fā)價(jià)2000元每噸計(jì)算。

純電動車的耗能成本為0．69＊240＝165．6元，LY混動車的耗能成本為213．8元。如果采用國家充電樁標(biāo)桿電價(jià)1．2～1．8元每度＋服務(wù)費(fèi)，設(shè)為2元。那么純電動車耗能成本為480元，LY混動車耗能成本為240元。LY混動車勝出。

我們從環(huán)境成本上看，LY混動車以甲醇為燃料，除了排放少量氮氧化物，幾乎沒有污染。甲醇是以生物質(zhì)為原料、太陽能為能量源而制造得來。只是促進(jìn)了碳循環(huán)，沒有增加二氧化碳排放。并解決了太陽能的儲能問題。

由上面的比較得知，任何電池技術(shù)對車載能源來說，都不重要。即便理論上的電池技術(shù)最大值都達(dá)到了。電池也無法跟LY混動車競爭。我們應(yīng)該走出汽車設(shè)計(jì)的誤區(qū)，降低對車載電池能量密度的期望。