鉅大LARGE | 點擊量：229次 | 2023年08月29日
氫燃料動力鋰電池汽車和純電動汽車誰將引領產業趨勢呢？
豐田將氫能定位為未來的清潔環保能源，并認為氫燃料動力電池車是對社會貢獻度極高的最終環保車。于此同時，日本首相安倍晉三也親自為豐田Marai代言。
反觀國內，很多車企把純電動汽車領域，也取得了不俗的成果。
那么這兩個發展新能源汽車的思路，誰將會引領行業潮流呢？下面我們具體分析一下。
動力系統的組成
從目前的發展狀況看，兩者的動力系統決定了他們的續航里程，決定了車內的乘坐空間，也決定了車企發展的方向。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.純電動汽車
從目前的發展情況來看，純電動汽車的動力系統重要是動力鋰電池+電機的組合形式。當下流行的動力鋰電池是正極為鎳鈷錳的三元鋰離子電池，由上千個電芯經過包裝整合組成電池pack。
如上圖所示，電池pack一般懸掛在汽車底盤下邊，為純電動汽車續航供應能量，目前一個pack所攜帶的電量普遍小于90Kwh。
現在用的電機一般是交流感應電機，這種電機比較小，但是能輸出比較大的功率。還有一種電機是輪轂電機，能耗比較小，但受限于成本，并未普及。
2.氫能汽車
目前的氫能汽車，它的動力系統重要是電動機+燃料動力電池+儲能電池+儲氫罐的組合形式。和純電動汽車相比，它的動力系統要復雜的多，電機基本相似，我們只討論電池和儲能裝置。
我們可以把氫能汽車上的電池分為兩種，一種是通過加氫燃料出現電能的，另一種是儲備電能的，前一種稱為燃料動力電池，后一種稱為儲能電池，這兩種電池必不可少。
通俗地講，燃料動力電池是一個開環系統，他要不斷的的補充燃料---氫化物，我們也可以稱為燃料動力電池反應堆。
相比之下，儲能電池是一個閉環系統，它的用途就是儲能和充放電，當然三元鋰離子電池也可以用作儲能電池。
除此之外，最重要的就是上圖中黃色的儲氫罐了，儲氫罐的用途是存儲燃料的，所以體積也比較大。
比較兩者的動力系統組成，我們發現氫能汽車比純電動汽車復雜太多了，純電動汽車的技術要更成熟一些，就動力系統的安全性來講，沒有燃料動力電池反應堆的純電動汽車更安全。就動力本身來講，氫能汽車的能量供給則會更好。
兩者發展遇到的技術瓶頸
到目前為止，這兩者的發展都不同程度的遭遇瓶頸，純電動汽車的瓶頸就在于鋰離子電池技術的突破，這是一個世界性難題。
如上圖所示，影響純電動汽車最大的因素就是續航里程和充電的便利性，充電便利性屬于基礎設施，我們可以慢慢改進，但是續航里程呢？反映到動力鋰電池上就是能量密度，以及鋰離子電池材料的選用。
目前氫燃料動力電池車的問題就是整套系統過于龐大，與燃油車和純電動汽車相比都毫無優勢。
與此同時，氫能汽車無法儲存液氫，儲氫罐裝的通常都是金屬氫化物，其密度只有汽油的1/3，要達到汽油車的續航，儲氫罐的體積是油箱的3倍。
而且燃料動力電池、儲能電池、電動機這些動力系統的體積并不比發動機+變速箱的體積小多少。所以氫燃料動力電池車要解決的問題是：提高儲氫罐的能量密度、壓縮燃料動力電池的體積。
政策支持兩條腿走路
在我國，為了提倡節能減排，國家從2013年之前國家就對新能源汽車進行補貼，每年都會根據市場狀況出臺新能源汽車補貼標準，一直持續到現在。氫能汽車的補貼也一直都有，發展緩慢完全是因為自身還不夠成熟。
在日本，自1998年就開始實行的CEV補貼（即清潔能源汽車補貼），補貼規則、車型和預算由日本下一代汽車振興中心每年根據市場情況進行調整。目前日本的氫氣站的成本約為240萬美元，日本政府為公司供應50%的安裝費用補貼。
此外，美國、德國、荷蘭、挪威等國家為了發展新能源汽車也都出臺了相應的氫能汽車補貼政策。
基于此，我們可以發現，其實各國關于氫燃料動力電池汽車的鼓勵政策一直都有，沒有任何歧視，發展新能源既要發展純電動汽車，也要發展氫能汽車。
由此可見，其實新能源汽車誰能笑到最后，只取決于一個因素能量密度，再準確一點就是整套動力系統的能量密度。從目前來看，純電動汽車技術更加成熟，氫能汽車卻昭示著未來發展方向。
首先來看多功能出行平臺，這個事實上并不能算什么新的技術，而是一種應用創新，是把共享乘車、商品零售、貨物運送等多種功能集成在一輛車上，這點毋庸多談。
自動駕駛技術，包括美國和我國在內的很多公司也都在做，而且我國公司起步并不晚，技術水平可以說與國外相差不大。我個人始終認為對自動駕駛這個概念要仔細地進行區分，不要去搞漫無邊際的自動駕駛。要首先對技術載體進行嚴格的限定，例如地鐵進行自動駕駛相對就比較容易實現；然后是有限定條件的自動駕駛，現階段就想一步到位、實現在任意復雜城市路面上的無人駕駛，搞不好會成為又一個第五代計算機計劃（注：日本在20世紀80年代初提出，最后失敗的科技發展計劃）。
值得重視的是豐田的氫燃料動力電池車，豐田的確是這一領域的世界領先者。
業界普遍認為氫燃料動力電池車是終級的理想汽車技術，一方面原因是它在行駛過程中排放出的只是水，另一方面是氫氣是各種氣體中密度最小的，而燃料動力電池的氧化劑則是取自空氣中的氧氣（比較之下鋰離子電池氫化劑則存在于電池本身），可以說是隨時補給、取之不盡。事實上，一切燃料動力電池都具有類似的從空氣中獲取氧氣作氧化劑從而減輕重量的優點，例如各種金屬空氣電池等。傳統的燃油車能量密度較高，從而續航里程較長，事實上也是利用了這一點。所以，氫燃料動力電池的比能量密度在理論上是比較高的，每公斤氫氣的比能量密度可達約17千瓦時，這是現在鋰離子電池（以三元鋰離子電池來計算）的85倍左右。
在實際應用中，因為儲氫罐等要占一定重量，因此實際比能量密度會大幅度降低。總體上說現在整個儲氫系統效率在5%，也就是整個儲氫系統的總重量100公斤，實際儲存的氫氣是5公斤左右。這會使儲氫系統的能量密度比理論上降低到20分之1。但就算這樣，一次加氫5公斤，其儲存的能量也可使氫燃料動力電池車續航里程達到600公里以上，與傳統燃油車大致持平。
2018款的豐田Mirai（日文未來之意）一次加滿5公斤氫氣的續航里程可以達到700公里。加氫過程在時間上與燃油車也差不多，每公里燃料使用成本大約為0.5元人民幣，比燃油車略高一些。所以，假如從使用習慣和使用成本上說，氫燃料動力電池車與現在的燃油車很接近，接下來想要實現商業化普及，最關鍵的是要大量投資新建加氫站網絡。
豐田Mirai
當然，自然界并不存在廣泛可獲取的氫，而要通過消耗一定能量生產制取。所以對氫能這個說法是要謹慎理解的。在現實能源產業中，氫只是一種能量轉換的載體，而不是天然可開采的能源。生產氫的途徑很廣泛，且歷史很久，已經算是一個傳統產業了。以甲烷、甲醇、乙醇等很多化工原料為基礎都可以制氫，通過電解法也可以直接用水來制氫。業界期待的最理想境界是直接用簡單的方法以太陽能或風能等為能源，通過電解水逆反應，從水中生產氫，這樣全流程就非常環保了。
氫燃料動力電池車的核心是氫燃料動力電池系統，這里面有兩個關鍵性的技術。一是氫燃料動力電池，二是氫的儲存。在這兩個方面，豐田公司的技術的確都是世界最領先的。
氫燃料動力電池最核心的是催化反應部分，它將自帶的氫氣與取自空氣中的氧氣經過電化學反應出現電。催化反應要用到極為昂貴的金屬鉑，這種金屬每年全球產量只有200噸多一點，比黃金還要稀少得多。要降低燃料動力電池的成本，從技術上說關鍵是要盡可能減少鉑的使用量，或者有替代鉑的方法。豐田公司能做到將一輛氫燃料動力電池車的鉑需求量進一步減少。業界也在積極尋求不用鉑的催化技術，假如能實現就解決了燃料動力電池汽車制造成本上的一個最大的技術難題。
儲存氫氣也是一個很難的技術，因為氫分子實在是太小了，假如用一般的鋼瓶儲存，氫氣分子都會鉆到鋼材的縫隙中去，出現叫氫脆的問題，使鋼瓶的強度下降。因此，要將氫氣以700個大氣壓儲存在復合材料制作的特殊氫氣罐里。毫無疑問，其品質對安全保證是很關鍵的。不過，氫氣儲存在安全性上也有它的優點，即使它發生泄露，由于氫氣比空氣輕，它會迅速向上漂，而不象汽油泄露那樣流得到處都是。汽車里泄露的汽油一旦著火，極大概率是會迅速把整個汽車燒毀。所以從理論上說氫燃料動力電池車至少比燃油車更為安全。豐田公司的氫氣罐可以做到用世界上最強之一美軍海軍陸戰隊使用的M82A3式狙擊步槍都打的地步。
由此看來，氫燃料動力電池車能否大規模普及，關鍵點還是在催化劑上能否有大的突破。此外，氫燃料動力電池因為其較高的比能量密度，不僅在新能源車上有應用，而且在無人機等其他領域也有較廣泛的應用價值。
2、固態電池技術：日本有生產工藝優勢
關于電池行業來說，固態電池并不是一個陌生概念。早在2012年蘋果公司就已經開始了全固態電池技術的專利布局，隨后包括豐田在內的一些知名廠商也在這個領域有所投入。
純電動汽車的成本重要體現在電池上。為了使普通讀者更容易理解，我把電動汽車鋰離子電池技術大致分成四個大的時代：
第一代是磷酸鐵鋰離子電池，能量密度在100Wh/kg（每公斤瓦時）左右。
第二代是三元鋰離子電池，200Wh/kg左右。
第三代是固體電解質鋰離子電池，現在業界叫固態電池，300Wh/kg左右。
第四代是鋰硫電池等，400Wh/kg左右。
當然，每一代的技術并非完全單一，而是會有很多不同變化。甚至就是三元鋰離子電池本身就有很多種。但以上大致的分代可以使我們對純電動汽車未來的發展趨勢有一個直觀的了解。
特斯拉一開始就采用的是第二代的三元鋰離子電池中的鎳鈷鋁技術，我國2017年純電動汽車普遍采用鎳鈷錳三元鋰離子電池。
固態電池，事實上是指第三代的固體電解質鋰離子電池。我國在固體電解液電池上也有技術積累，而且在第四代的技術上也有很多單位在開發。只是在具體電池生產工藝上，日本和韓國的三星、LG等還是有長期技術優勢的。一般來說，電池的能量密度越高，每千瓦時的存儲成本就越低。
對續航里程問題，不同汽車的用戶體驗可能會有些不同。我個人認為純電動汽車的續航里程會經歷這么一個變化過程：
最初因為電池太貴，因此續航里程很短，只有120公里；
隨著電池成本持續地大幅度降低，續航里程不斷上升；
由于充電設施還不是很普及，充電不是很方便，用戶對續航里程需求還會在一按時間持續上升，現在400公里甚至更長續航里程的純電動汽車款已經很多了；
未來充電設施越來越普及，充電越來越方便，到處都可以充電，再加上各種電動汽車充電寶產品流行，用戶并不要買很長續航里程的電動汽車，購買電動汽車的成本又極大降低。
固態電池的安全性比液態鋰離子電池高很多，而且續航里程很長。固態電池普及后，純電動汽車的成本可達到與現在燃油車接近的程度。
不過，這項技術開發有難度，目前這方面研究最深的就是豐田汽車，但也一直沒有實現商業化量產。于是，日本政府決定和公司聯起手來加快固態電池的研發。
據報道，日本經濟產業省將向鋰離子電池材料評價研究中心（LIBTEC）出資16億日元，這家研究中心是由旭化成、東麗和Kuraray等化工公司成立的，現在豐田、日產和本田三大車企和松下、GSYUASA等電池公司也將加入其中。
除了加快技術研發，日本經濟產業省還計劃向國際電工委員會（IEC）提出申請來推動固態電池國際標準的制定，這樣就能從一開始掌握更多話語權，從而在電動汽車的電池領域獲得領先地位。
3、加一次油跑1000公里：汽車公司很快都能做到
目前新能源車重要是三個方法：最早出現的混合動力、純電動、氫燃料動力電池。豐田公司在混合動力和燃料動力電池兩個技術上都處于世界領先水平。
那么有傳言說豐田開發出加一次油可以跑1000公里的車，這是真的嗎？
其實，不僅豐田能做到，很快幾乎每家汽車公司都能做到了。
因為現在開發燃油車的公司也都在向混合動力方向發展。這種混合動力是用燃油發動機發電，用電機驅動。其顯著好處包括：
一是燃油發動機可以穩定地工作，在最佳效率狀態發電；
二是不用齒輪箱了；
三是利用了電機驅動的好處，在各種轉速下扭矩大致是均衡的；
四是電驅動可以進行能量回收。
電機驅動可以使百公里耗油顯著降低。假如只是用燃油發動機本身改進，效率幾乎不太可能降到百公里油耗5升以下。但采用混動的方法，可以比較容易做到百公里耗油4升左右甚至更低，在城市復雜工況下做到這種省油的水平也是可以的。這樣，原來加滿油40-50升只能跑400-600公里的車，現在就都可以跑上千公里了。
假如是插電增程式混動，電池本身有50到100公里左右的續航里程，可以采用充電方式在城市內跑，跑長途用燃油增程，相當于內置充電寶。豐田是混合動力車的先驅，2017年豐田新能源車全球銷量達到152萬輛，重要就是靠混合動力技術實現的，并且在混合動力技術上已經有20年的積累，至2017年，豐田以混合動力車為主的新能源車全球累積銷量達到1147萬輛。
大多數人認為混合動力是一個過渡方法，問題是這個過渡時間會有多長。這取決于純電動和燃料動力電池車的發展情況。前兩年混合動力車在我國新能源車銷量中的比例呈下降狀態，但2017年至今混合動力車占比又快速上升。混合動力車和氫燃料動力電池車在續航里程上都有優勢，混合動力車又可直接利用原來燃油車普遍存在的加油網絡系統，因此對續航里程有較高要求的用戶現在還是會青睞前者。
