氫燃料動(dòng)力電池既然這么好，為啥還要混合驅(qū)動(dòng)汽車(chē)？我國(guó)搞電-電混動(dòng)，是不是因?yàn)榧夹g(shù)水平太差了？現(xiàn)在能否判定氫燃料動(dòng)力電池技術(shù)的前景？

我們逐個(gè)來(lái)分析分析。

電電混合的由來(lái)

汽車(chē)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(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)輸出不同的功率。假如一輛燃料動(dòng)力電池汽車(chē)，通過(guò)燃料動(dòng)力電池發(fā)電直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，就要燃料動(dòng)力電池不斷變化功率載荷。

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

從燃料動(dòng)力電池電堆（燃料動(dòng)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(jì)的?，F(xiàn)在電堆功率越設(shè)計(jì)越大，動(dòng)輒百千瓦上下。迫于對(duì)功率密度的需求，往往要通過(guò)大電流密度實(shí)現(xiàn)。這讓通氣條件在全工況下適應(yīng)非常困難。在負(fù)載過(guò)大或過(guò)小時(shí)，電堆可能只能短時(shí)間工作，以防止因水熱問(wèn)題造成損壞。

從系統(tǒng)角度講，燃料動(dòng)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(jī)會(huì)有最合適的一段輸出區(qū)間，此區(qū)間空壓機(jī)效率較高，且工作穩(wěn)定。另外，比如更簡(jiǎn)單的管路，由于管徑固定，假如氣體量太小，那么氣體壓力無(wú)法控制；假如氣體量太大，那么會(huì)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(guò)程中，都會(huì)有能量的損耗。因?yàn)榫S持電堆運(yùn)行的供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)都會(huì)消耗能量。當(dāng)電堆出力較低時(shí)，BOP待機(jī)功耗相對(duì)純電動(dòng)系統(tǒng)更大（如同汽車(chē)怠速的效果）。同時(shí)電堆低功率出力時(shí)，為了平衡流場(chǎng)設(shè)計(jì)和水熱管理，往往進(jìn)氣計(jì)量數(shù)更大。系統(tǒng)能效整體降低。

現(xiàn)代FCV

雖然燃料動(dòng)力電池不喜歡變載，但并不代表不能變載。可以通過(guò)系統(tǒng)管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。但這是個(gè)及其復(fù)雜的過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)要求電堆出力提高時(shí)，氫氣和空氣的進(jìn)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(yáng)極）排氣量和排水量也隨之發(fā)生變化。

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

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

因此，燃料動(dòng)力電池整套管理機(jī)制，要設(shè)計(jì)的相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)。假如說(shuō)傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)是電和熱的組合，那么燃料動(dòng)力電池則至少多出兩個(gè)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(chǎng)合一，相互聯(lián)動(dòng)。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(jí)數(shù)上升。燃料動(dòng)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?yàn)榇蟛糠智闆r下，通過(guò)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(jiàn)形式有三種。分別是能量存儲(chǔ)、功率平衡、增程續(xù)航。

（1）豐田模式：能量存儲(chǔ)型

在豐田的系統(tǒng)中，搭載了鎳氫電池以實(shí)現(xiàn)電電混合。而鎳氫電池的用途，重要用于能量的回收儲(chǔ)存，這是豐田的表述。能量存儲(chǔ)并非目的，將能量轉(zhuǎn)化成可用動(dòng)力才是關(guān)鍵。因此，我認(rèn)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(shí)現(xiàn)電電組合，我想多半是來(lái)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(gè)單體電壓為1.2V的鎳氫電芯，總儲(chǔ)能容量為1.3kWh，藉此保證普銳斯的發(fā)動(dòng)機(jī)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(pán)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(chǎng)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(dòng)力電池耦合相連。在剎車(chē)時(shí)，回收能量存儲(chǔ)與電池當(dāng)中。通過(guò)燃料動(dòng)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(shí)，鎳氫電池向系統(tǒng)輸出瞬時(shí)功率，讓系統(tǒng)更加平順。

同時(shí)，鎳氫電池屬于水系電池，因此在使用過(guò)程中，相比鋰離子電池，在出現(xiàn)故障時(shí)，電池本體起火的可能性更低。因此，就安全性來(lái)說(shuō)更勝一籌。

簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)燃料動(dòng)力電池汽車(chē)的開(kāi)發(fā)，可以追溯到上世紀(jì)的80年代。第一代FC樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)在奧德賽上完成的。時(shí)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(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)集成到和V6標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的大小。這讓Clarity在布置上，可以大量借鑒傳統(tǒng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

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

燃料動(dòng)力電池電壓控制器（FCVCU）是實(shí)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(duì)這個(gè)技術(shù)的翻譯是碳化硅智能電源模塊，不了解官方有沒(méi)有更炫的名字。）讓本田以極小的體積實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料動(dòng)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(qiáng)調(diào)的回收制動(dòng)能量，本田的電電混合技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)對(duì)功率的提升。本田通過(guò)FCVCU將燃料動(dòng)力電池電壓提升至500V，燃料動(dòng)力電池可以和鋰離子電池同時(shí)出力。在最高功率時(shí)，鋰離子電池出力占整個(gè)系統(tǒng)的30%。

揣測(cè)本田的設(shè)計(jì)思路，就是通過(guò)電壓的控制，新增鋰離子電池對(duì)系統(tǒng)出力的比例，反向也能讓燃料動(dòng)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(dòng)力電池和鋰離子電池混合的電電混動(dòng)技術(shù)：即燃料動(dòng)力電池只為鋰離子電池充電，鋰離子電池單一驅(qū)動(dòng)電機(jī)。我曾在展會(huì)上見(jiàn)過(guò)類(lèi)似的應(yīng)用。燃料動(dòng)力電池在幾個(gè)相對(duì)固定工況下工作，使控制難度進(jìn)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(dòng)的技術(shù)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是儲(chǔ)能電池像一個(gè)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(lái)評(píng)價(jià)，豐田僅僅配備了2kWh的鎳氫電池，在燃料動(dòng)力電池管理技術(shù)上來(lái)說(shuō)，最為先進(jìn)。但也要從成本和壽命上綜合考慮。

2

燃料動(dòng)力電池汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)在哪

與電動(dòng)汽車(chē)相比，燃料動(dòng)力電池汽車(chē)在形式上更加符合汽車(chē)的要求。一般來(lái)說(shuō)，燃料動(dòng)力電池汽車(chē)在幾分鐘，便可充滿(mǎn)滿(mǎn)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(mǎn)續(xù)航300公里的電能。當(dāng)我們計(jì)算成本的時(shí)候，很少把使用的方便性計(jì)算進(jìn)去。因此，和很多人觀點(diǎn)相同，補(bǔ)充氫氣更方便是燃料動(dòng)力電池的最核心優(yōu)勢(shì)。

特斯拉第三代超充峰值功率提升到250kW

在此，我想追問(wèn)兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題，雖然充電更為耗時(shí)，可否用商業(yè)模式去彌補(bǔ)？

我曾見(jiàn)過(guò)這樣一個(gè)項(xiàng)目，將充電站和購(gòu)物休閑相結(jié)合？其所謂的痛點(diǎn)，就是幫人們打發(fā)充電的等待時(shí)間，同時(shí)出現(xiàn)利潤(rùn)。說(shuō)實(shí)話(huà)，我個(gè)人對(duì)類(lèi)似商業(yè)模式的評(píng)價(jià)是一個(gè)字：尬！也許反過(guò)來(lái)，一個(gè)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(gè)問(wèn)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(shí)間。屆時(shí)燃料動(dòng)力電池還有沒(méi)有優(yōu)勢(shì)？

雖然技術(shù)上也許可行，我覺(jué)得并非一個(gè)好的解決方法。首先，直流快速充電對(duì)電池耐用性和壽命上的傷害，一直是一個(gè)讓人擔(dān)心的問(wèn)題。一些純電動(dòng)汽車(chē)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(huì)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(jì)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(duì)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(lái)對(duì)新能源汽車(chē)的要求可能車(chē)型更大，續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，充電時(shí)間更短，這就更加凸顯了電池所帶來(lái)的木桶效應(yīng)。燃料動(dòng)力電池的優(yōu)勢(shì)則更加彰顯。即使把加氫時(shí)間降低到3分鐘以?xún)?nèi)，也不會(huì)對(duì)電堆有絲毫的影響。

當(dāng)然，我們可以寄希望于未來(lái)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(zhuān)家說(shuō)的一句話(huà)：雖然我們對(duì)未來(lái)的創(chuàng)新有所期待，但是終歸只是猜想。

3

氫能更加低效嗎？

1度電，可以讓電動(dòng)汽車(chē)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(lái)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(dòng)汽車(chē)業(yè)內(nèi)的大佬馬斯克認(rèn)為氫是一種低效的能源。能源經(jīng)過(guò)的多次轉(zhuǎn)換，看似遠(yuǎn)不如直接用電高效。

相同的質(zhì)疑聲，也會(huì)指向純電動(dòng)汽車(chē)。一些人認(rèn)為當(dāng)下的新能源汽車(chē)，只是從燒油模式轉(zhuǎn)變?yōu)闊耗Ｊ健?/p>

對(duì)此，我們必須明確，能源是從哪里開(kāi)始計(jì)算的？美國(guó)能源部提出了2035年全周期能耗（BTUs/miles）的評(píng)價(jià)。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(chē)輪消耗掉的整個(gè)過(guò)程。具體如下圖所示。

從上面兩幅圖，可以看出電動(dòng)汽車(chē)和燃料動(dòng)力電池汽車(chē)，在全周期尺度上的能耗，都在相類(lèi)似的范圍之內(nèi)，并沒(méi)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(chē)的能效問(wèn)題。豐田曾表示氫氣的生產(chǎn)到灌充至儲(chǔ)氫瓶中的過(guò)程，相比電的出現(xiàn)并充滿(mǎn)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。

4

從2015年新能源汽車(chē)飛速發(fā)展，我便對(duì)電池的回收處置問(wèn)題開(kāi)始擔(dān)憂(yōu)。燃料動(dòng)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(wàn)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(kāi)發(fā)。而相比之下，鋰離子電池的回收，面對(duì)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(guò)程，技術(shù)復(fù)雜且有技術(shù)壁壘。在回收的過(guò)程，可能對(duì)環(huán)境造成較大的影響。同時(shí)，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的流程也是問(wèn)題之一。

更重要的是，可能沒(méi)有回收價(jià)值。曾有公司對(duì)從動(dòng)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(jià)值就越差。經(jīng)濟(jì)賬算不過(guò)來(lái)，很難讓人有做好這件事的動(dòng)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(huì)對(duì)人體出現(xiàn)極大影響。

進(jìn)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(gè)字來(lái)形容它。在追求電動(dòng)化的今天，作為主角的鋰離子電池，可能存在著嚴(yán)重的成本失真。當(dāng)電池回收處置這件事不得不做的時(shí)候，本著誰(shuí)生產(chǎn)誰(shuí)負(fù)責(zé)的原則，鋰離子電池的成本可能進(jìn)一步上升。起碼可以判斷，鋰離子電池的成本不會(huì)持續(xù)降低，當(dāng)我們也可以從全周期的角度去認(rèn)識(shí)新能源汽車(chē)的時(shí)候，也許會(huì)開(kāi)始重視那些潛在的成本和收益。