“我國已經(jīng)形成了電-電混合的技術(shù)優(yōu)勢，適合燃料動力電池技術(shù)的特點?！?/p>

全國政協(xié)副主席、我國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主席、前科技部部長萬鋼，是氫燃料電池技術(shù)路線的支持者。他在論述我國氫燃料動力電池技術(shù)的時候，經(jīng)常提及前面這個論斷。

氫燃料動力電池既然這么好，為啥還要混合驅(qū)動汽車？我國搞“電-電”混動，是不是因為技術(shù)水平太差了？現(xiàn)在能否判定氫燃料動力電池技術(shù)的前景？

我們逐個來分析分析。

電電混合的由來

汽車行駛在道路上，行駛狀態(tài)不斷變化，上下坡、加減速，要發(fā)動機/電動機輸出不同的功率。假如一輛燃料動力電池汽車，通過燃料動力電池發(fā)電直接驅(qū)動電機，就要燃料動力電池不斷變化功率載荷。

然而，燃料動力電池似乎并不太喜歡變載，變載必須讓進氣（氫氣、空氣）等外部條件隨之變化。

從燃料動力電池電堆（燃料動力電池系統(tǒng)最核心的發(fā)電單元）的角度看，電堆的主歧管流道、入口流道、分配流道、（反應(yīng)）微流道等等，都是基于某一工況范圍設(shè)計的?，F(xiàn)在電堆功率越設(shè)計越大，動輒百千瓦上下。迫于對功率密度的需求，往往要通過大電流密度實現(xiàn)。這讓通氣條件在全工況下適應(yīng)非常困難。在負載過大或過小時，電堆可能只能短時間工作，以防止因水熱問題造成損壞。

從系統(tǒng)角度講，燃料動力電池的輔助系統(tǒng)（BOp，Balanceofplant）似乎也不太喜歡變載。比如空壓機會有最合適的一段輸出區(qū)間，此區(qū)間空壓機效率較高，且工作穩(wěn)定。另外，比如更簡單的管路，由于管徑固定，假如氣體量太小，那么氣體壓力無法控制；假如氣體量太大，那么會有很大的壓降損失，甚至造成密封失效。

從能量角度講，所有“體外循環(huán)”的電池，在工作過程中，都會有能量的損耗。因為維持電堆運行的供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)都會消耗能量。當(dāng)電堆出力較低時，BOp待機功耗相對純電動系統(tǒng)更大（如同汽車怠速的效果）。同時電堆低功率出力時，為了平衡流場設(shè)計和水熱管理，往往進氣計量數(shù)更大。系統(tǒng)能效整體降低。

現(xiàn)代FCV

雖然燃料動力電池不喜歡變載，但并不代表不能變載?？梢酝ㄟ^系統(tǒng)管理來實現(xiàn)。但這是個及其復(fù)雜的過程。當(dāng)系統(tǒng)要求電堆出力提高時，氫氣和空氣的進氣量隨之提高，電堆電流密度上升，電堆輸出功率上升（但可能伴隨效率下降），發(fā)熱量也隨之上升。冷卻系統(tǒng)控制冷卻泵新增循環(huán)水量。氫循環(huán)泵循環(huán)量增大，陰極（或陽極）排氣量和排水量也隨之發(fā)生變化。

與此同時，電堆單池之間的差異也可能隨之增大，系統(tǒng)會采取診斷和保護措施……

可能就是上坡跟車時的一腳油門，系統(tǒng)就要做出一連串的復(fù)雜動作。假如哪一步?jīng)]跟上，燃料動力電池就像一臺渦輪遲滯明顯的早起渦輪增壓發(fā)動機，甚至直接故障。同時，頻繁的功率變化也會讓燃料動力電池的壽命加速衰減。

因此，燃料動力電池整套管理機制，要設(shè)計的相當(dāng)嚴謹。假如說傳統(tǒng)電動汽車是電和熱的組合，那么燃料動力電池則至少多出兩個維度：氣體（氫氣和空氣）和水（氫氧反應(yīng)出現(xiàn)的水以及冷卻液）。電、熱、空、氫、水五場合一，相互聯(lián)動。再加上日益增大的單堆功率，讓系統(tǒng)的控制難度呈幾何級數(shù)上升。燃料動力電池的成本當(dāng)中，系統(tǒng)成本至少占三分之二，也是可以理解的。

電電組合的出現(xiàn)，可以大大降低系統(tǒng)管理的難度。因為大部分情況下，通過電池可以減小電堆功率的調(diào)節(jié)范圍。當(dāng)前，電電混合的常見形式有三種。分別是能量存儲、功率平衡、增程續(xù)航。

（1）“豐田模式”：能量存儲型

在豐田的系統(tǒng)中，搭載了鎳氫電池以實現(xiàn)電電混合。而鎳氫電池的用途，重要用于能量的回收儲存，這是豐田的表述。能量存儲并非目的，將能量轉(zhuǎn)化成可用動力才是關(guān)鍵。因此，我認為“豐田模式”的電電混合，仍是以“削峰填谷”作為目標(biāo)。

豐田選擇鎳氫電池實現(xiàn)電電組合，我想多半是來自于豐田在普銳斯上技術(shù)的積累。在普銳斯上，豐田配置了168個單體電壓為1.2V的鎳氫電芯，總儲能容量為1.3kWh，藉此保證普銳斯的發(fā)動機始終在最“佳”的工作狀態(tài)。

在城市行駛的工況下，普銳斯的管理系統(tǒng)，將電池的充放電深度控制在很小的范圍之內(nèi)，而儀表盤上的SOC顯示，只是電池可用范圍上的消耗百分比。淺充淺放的使用場景，保證了鎳氫電池的壽命。

Mirai借鑒了相似的結(jié)構(gòu)。將鎳氫電池與燃料動力電池耦合相連。在剎車時，回收能量存儲與電池當(dāng)中。通過燃料動力電池發(fā)電和能量回收，始終保證鎳氫電池在“合適”的SOC范圍。在系統(tǒng)變載時，鎳氫電池向系統(tǒng)輸出瞬時功率，讓系統(tǒng)更加平順。

同時，鎳氫電池屬于“水系”電池，因此在使用過程中，相比鋰離子電池，在出現(xiàn)故障時，電池本體起火的可能性更低。因此，就安全性來說更勝一籌。

簡單總結(jié)豐田的電電混合模式，從表面上看，是關(guān)于能量的回收。但是其本質(zhì)，還是“削峰填谷”，從而讓燃料動力電池工作在最佳的狀態(tài)。

（2）本田模式：功率平衡型

本田對燃料動力電池汽車的開發(fā)，可以追溯到上世紀的80年代。第一代FC樣機的實驗，實在奧德賽上完成的。時隔三十年，本田的Clarity，又以全新的姿態(tài)，展現(xiàn)FCV的技術(shù)。

本田的核心技術(shù)，是將燃料動力電池發(fā)動機集成到和V6標(biāo)準發(fā)動機相同的大小。這讓Clarity在布置上，可以大量借鑒傳統(tǒng)汽車的結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計風(fēng)險。

本田的電電混合系統(tǒng)，由燃料動力電池、鋰離子電池通過本田特有的部件FCVCU進行連結(jié)。

燃料動力電池電壓控制器（FCVCU）是實現(xiàn)“本田模式”的關(guān)鍵部件，它是一種高效的電壓調(diào)節(jié)裝置。應(yīng)用SIC-IpM，（我對這個技術(shù)的翻譯是碳化硅智能電源模塊，不了解官方有沒有更炫的名字。）讓本田以極小的體積實現(xiàn)對燃料動力電池電堆電壓的轉(zhuǎn)化。

下圖是FCVCU的工作原理圖。相比豐田強調(diào)的回收制動能量，本田的電電混合技術(shù)更加強調(diào)對功率的提升。本田通過FCVCU將燃料動力電池電壓提升至500V，燃料動力電池可以和鋰離子電池同時出力。在最高功率時，鋰離子電池出力占整個系統(tǒng)的30%。

揣測本田的設(shè)計思路，就是通過電壓的控制，新增鋰離子電池對系統(tǒng)出力的比例，反向也能讓燃料動力電池出力范圍變化更加緩和。

（3）增程續(xù)航

市面上還有另外一種燃料動力電池和鋰離子電池混合的電電混動技術(shù)：即燃料動力電池只為鋰離子電池充電，鋰離子電池單一驅(qū)動電機。我曾在展會上見過類似的應(yīng)用。燃料動力電池在幾個相對固定工況下工作，使控制難度進一步降低。但是這種純粹以“增程”為目的的FCV應(yīng)用，本質(zhì)上是犧牲功率換取續(xù)航的做法。

總結(jié)一下電電混動的技術(shù)，簡單說就是儲能電池像一個蓄水池般不斷地充放調(diào)整，以平衡系統(tǒng)的功率特性和容量特性。各家技術(shù)的差別，在于所配備“蓄水池”的大小不同。假如單從技術(shù)上來評價，豐田僅僅配備了2kWh的鎳氫電池，在燃料動力電池管理技術(shù)上來說，最為先進。但也要從成本和壽命上綜合考慮。

燃料動力電池汽車的優(yōu)勢在哪

與電動汽車相比，燃料動力電池汽車在形式上更加符合汽車的要求。一般來說，燃料動力電池汽車在幾分鐘，便可充滿滿足500公里續(xù)航的氫氣；而特斯拉的ModelS，最多只能保證在20分鐘內(nèi)充滿續(xù)航300公里的電能。當(dāng)我們計算成本的時候，很少把使用的方便性計算進去。因此，和很多人觀點相同，補充氫氣更方便是燃料動力電池的最核心優(yōu)勢。

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在此，我想追問兩個問題。第一個問題，雖然充電更為耗時，可否用商業(yè)模式去彌補？

我曾見過這樣一個項目，將充電站和購物休閑相結(jié)合？其所謂的痛點，就是幫人們“打發(fā)”充電的等待時間，同時出現(xiàn)利潤。說實話，我個人對類似商業(yè)模式的評價是一個字：尬！也許反過來，一個成熟的商業(yè)中心供應(yīng)一些充電服務(wù)更加合適。

第二個問題，假如在技術(shù)上，提高充電樁的功率，讓充電更加快速，從而減少等待時間。屆時燃料動力電池還有沒有優(yōu)勢？

雖然技術(shù)上也許可行，我覺得并非一個好的解決方法。首先，直流快速充電對電池耐用性和壽命上的傷害，一直是一個讓人擔(dān)心的問題。一些純電動汽車制造商甚至?xí)苯咏ㄗh少用快充，以提高電池壽命。其次，提高充電速度，會降低系統(tǒng)的效率，新增能量損失。暫且不提損失的能量有多少，從設(shè)計理念上看，多少與綠色理念背道而馳。第三，大面積的快充裝置對能源結(jié)構(gòu)有影響。

從上述分析可以看出，一味地提高充電功率，是既損失效率，又損失電池壽命的做法。未來對新能源汽車的要求可能車型更大，續(xù)航時間更長，充電時間更短，這就更加凸顯了電池所帶來的木桶效應(yīng)。燃料動力電池的優(yōu)勢則更加彰顯。即使把加氫時間降低到3分鐘以內(nèi)，也不會對電堆有絲毫的影響。

當(dāng)然，我們可以寄希望于未來鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展。比如所謂的全固態(tài)電池技術(shù)。但是，在此我想引用現(xiàn)代的技術(shù)專家說的一句話：“雖然我們對未來的創(chuàng)新有所期待，但是終歸只是猜想?！?/p>

氫能更加低效嗎？

1度電，可以讓電動汽車行駛5~7公里，但是假如把1度電制造成氫氣，再將能量釋放出來行駛，那么行駛里程可能只有三分之一。那么為何一定要用氫氣？

電動汽車業(yè)內(nèi)的大佬馬斯克認為氫是一種低效的能源。能源經(jīng)過的多次轉(zhuǎn)換，看似遠不如直接用電高效。

相同的質(zhì)疑聲，也會指向純電動汽車。一些人認為當(dāng)下的新能源汽車，只是從“燒油模式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁耗Ｊ健薄?/p>

對此，我們必須明確，能源是從哪里開始計算的？美國能源部提出了2035年全周期能耗（BTUs/miles）的評價。BTU，指的是英熱單位，1度電約等于3412BTUs。而所謂全周期，指的是從最初的能源生產(chǎn)到被車輪消耗掉的整個過程。具體如下圖所示。

從上面兩幅圖，可以看出電動汽車和燃料動力電池汽車，在全周期尺度上的能耗，都在相類似的范圍之內(nèi)，并沒有太大差別。不論是豐田還是現(xiàn)代，他們都考慮從全周期的尺度上考慮新能源汽車的能效問題。豐田曾表示氫氣的生產(chǎn)到灌充至儲氫瓶中的過程，相比電的出現(xiàn)并充滿電池更加高效，但并未給出此結(jié)論的出處，因此僅供大家參考。

總結(jié)：最后一點擔(dān)憂

從2015年新能源汽車飛速發(fā)展，我便對電池的回收處置問題開始擔(dān)憂。燃料動力電池中催化劑用鉑可以從電堆中直接回收，現(xiàn)在如莊信萬豐這樣的老牌貴金屬供應(yīng)商，已經(jīng)著手于鉑回收技術(shù)的開發(fā)。而相比之下，鋰離子電池的回收，面對著很大的挑戰(zhàn)。

首先電池在回收分解處置，存在著多種化學(xué)過程，技術(shù)復(fù)雜且有技術(shù)壁壘。在回收的過程，可能對環(huán)境造成較大的影響。同時，缺乏標(biāo)準化的流程也是問題之一。

更重要的是，可能沒有回收價值。曾有公司對從動力鋰電池中回收鋰做了估算，其成本約是從鹵水中提取鋰的5倍之多。電池成本越低，可回收的價值就越差。經(jīng)濟賬算不過來，很難讓人有做好這件事的動力。但是假如任由電池內(nèi)的廢棄物任意排放，比如鎳和鈷，都會對人體出現(xiàn)極大影響。

進一步講，任何電池，假如不能形成從生產(chǎn)到回收形成閉環(huán)，那很難用“可再生”三個字來形容它。在追求電動化的今天，作為主角的鋰離子電池，可能存在著嚴重的成本失真。當(dāng)電池回收處置這件事不得不做的時候，本著“誰生產(chǎn)誰負責(zé)”的原則，鋰離子電池的成本可能進一步上升。起碼可以判斷，鋰離子電池的成本不會持續(xù)降低，當(dāng)我們也可以從“全周期”的角度去認識新能源汽車的時候，也許會開始重視那些潛在的成本和收益。

當(dāng)前情況下，燃料動力電池并未形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，技術(shù)路線尚未定型。在此時時常被牽出來和鋰離子電池作比較，實在不太公平。讓汽車走遍千家萬戶的，并非是發(fā)動機的發(fā)明者，也不是第一輛汽車的制造者，而是福特的生產(chǎn)線。因此在技術(shù)成形之初，對技術(shù)成與不成的任何篤信，都顯得有幾分狂妄。

豐田Mirai動力系統(tǒng)圖示

我有一次問豐田的一位專家：未來技術(shù)方向是什么？

豐田的專家并未給我明確的答案，而在我們交流的過程中，他不止一次的提到了成本。豐田的今天采取的技術(shù)路線，是過去的積累。豐田的未來，要看未來的成本怎么樣的。

消費者最優(yōu)先關(guān)心的，并不是能效，或者是不是“電電混合”。但是假如給他們一個合理的價格，好的體驗，他們中的一些人會愿意選擇更加環(huán)保的產(chǎn)品。