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-------------------------------------------------- 随着近期新能源汽车的快速发展，相信很多人已经接触过新能源汽车，人们对新能源汽车褒贬不一，网上也充斥着新能源企业发展新能源都是骗补的声音，作为新能源汽车的从业人员，笔者也简单说一下自己的理解。 上一篇，我写到了国家为什么发展新能源汽车，但是目前量产的新能源汽车有什么优势和劣势呢？ 优势一：纯电驱动的车辆驾驶感受好 纯电驱动的车辆指的是只有电机作为驱动方式的车辆，包括纯电动车以及增程式电动车，目前动力驱动的形式就是电机+单档减速器， 因为电机转速范围广，目前主流的转速为12000转，16000转，此转速基本无需多档便可满足电动车的绝大多数的车速使用需求（当然为了平衡动力经济性的需求，开发两档除外，目前问题较多，此间不再赘述），因此电动车在驾驶性上无丝毫换挡引起的顿挫。同时电机响应迅速，低转速扭矩大，在驾驶性上有很多传统燃油车无法比拟的优势。 优势二：驱动效率高，能量回收更经济 撇开整个能源周期，单凭驱动效率方面讲，传统燃油车发动机最高的热效率点目前已知40%多点，实际使用上也就是30%多，大部分的燃油能量被当做废气排放掉了。而电机+电机控制器最高效率大于95%，实际使用上也超过了85%，（实际使用工况参照NEDC工况），所以说电机总成的驱动效率是很高的。例如某A级电动车以及同平台的燃油车，电动车百公里电耗是14kwh/100km，百公里油耗量是8L/100km。已知汽油热值是42MJ/kg，换算百公里消耗能量是4.54*10^8 焦耳能量，而电耗是百公里消耗量是14*3.6*10^6=5.04*10^7焦耳能量，大概是汽油车的1/10，由此可见电动车是更高效的。 而混动车型，车辆的动力匹配大部分也例如是遵循着“用电节油”的原则，也就是说在动力匹配过程中，让发动机始终在经济转速-扭矩范围内工作，达到节油的目的，例如下面图中不同转速下，当前车速下发动机输出转速为2800转，会控制发动机扭矩90Nm左右，如果动力不够满足驾驶员的驱动需求，剩下的扭矩补偿靠电机来完成，以达成发动机始终在经济点工作从而降低油耗的需求（增程车型发动机转速和车速解耦，所以转速都可以调，更容易选取经济点），同理当发动机在经济点的扭矩超过用户的扭矩需求后，多余的扭矩便会驱动电机发电，将能量储存在电池中，以备后用，实际上还要考虑电机效率、电池充放电功率等很多条件进行不同工况的标定。丰田的动力分流，本田IMMD的串并联，比亚迪
某发动机的map图 同时目前的新能源车型都有一个共同点，就是有电机参与驱动。学过高中物理我们都知道，电机又是电动机（电生磁）又能当发电机（磁生电）。在传统车行车过程中，制动的建立是踩制动踏板建立液压，让制动摩擦片和制动盘接触产生制动的，从能量流向的角度上看，就是车子的动能转化为制动器的热能实现制动的，但是在新能源车型中，制动时电机断电、切割磁感线产生反方向电流并提供负扭矩（磁生电，详见高中物理左手定则和楞次定律），此时的反向电流就流向电池被储存起来，同时电机的负扭矩可以帮助车辆实现制动。说白了就是传统车在制动时候的动能被转化为摩擦片的热能被带走了，而新能源车可以把车辆的部分动能转为电能储存在电池中（能量回收也分为协作式和非协作式的回头我看看再单开个专题讲一下），能量回收对里程的贡献率目前我根据实车测试见过的最高可达20%左右。 从以上来看，从电机整体效率上，从系统的匹配上，从电动车的特质上来看，新能源汽车其实更加高效。 优势三、使用成本低并且可以降低城市排放 电动车和大部分插电混动车辆，都有一定的纯电续驶里程，在家庭充电方便的情况下，用电的成本比用油节省的多，同样以上面的车辆为例，电动车百公里耗电是14度，按照现在的家庭电价，百公里大概7块钱；而传统油车百公里油耗是8升，百公里大概56块钱，同时电动车不需要经常保养，省去了更换机油等保养耗费。 同时电动车和混动车在排放方面会比传统车少很多，可以做到0排放或者少排放。 以上是我个人理解的当前量产新能源车的一些优势，但是真正的让很多人对新能源车尤其是电动车产生不好影响的劣势才是真正制约消费者选择新能源车辆的主要原因。
劣势一、电动车续驶里程低影响用户长途出行 目前最制约用户使用引起用户抱怨的，其实就是电动车的续航焦虑。电动车的续航里程是用户可以直观感受到的一个重要性能指标。但是目前量产的电动车，综合续航稍长的大概也就是400km左右，冬天开暖风更是直接衰减接近一半。根本无法满足用户长途需求，短途需求充电频次太高也会引起抱怨，甚至还有冬天盖被子不开空调的梗。 劣势二，充电不方便，不快捷 如果电动车续驶里程不长，但是充电方便快捷，也是个很好的解决里程焦虑的路径，但是目前的形势是：1、充电桩质量良莠不齐。有些充电桩物理接口或者充电协议甚至都不能和一些车兼容（笔者曾经就做过充电适应性测试，用一台车测各个品牌的各种桩） 2、充电速率慢。现在快充和加油相比也很慢，一般都提SOC20%-80%的充电速率，少说也要半个小时，多的有一个小时的 3、充电桩布局还是不平均。很多地方比较少甚至都没有，高速上面布局也少，貌似特斯拉等一些主机厂有过一些布局。4、很多小区不支持安装充电桩，支持安装的小区需要车主绑定车位等很多现实问题（笔者见过从十几楼往下甩电线充电的情况，貌似还得偷偷摸摸的来，消防问题，物业会查）。 所以很多主机厂正在使用或计划采取一些方案来解决充电难这个问题，例如蔚来汽车的换电以及保时捷的高压快充方案。其实单一厂商做其实怎么玩都行，但是想用户便利，最好还是国家或者行业层面上统一标准：换电方案的软硬件标准的统一，高压快充的基础设施建设，这些都是急需解决的问题。 劣势三、受季节温度影响较大 传统燃油车自身受温度影响较少，车内油液可以在几分钟内就达到常温下的工作温度，同时在低温下可以利用排气的温度给车内升温，所以冬季的油耗和动力性相对常温下，不会有特别大的衰减（日常行车时间比较短的可能油耗会高一些，油液刚热起来已经到地方了）。 而电动车电池受温度影响较大，例如在低温条件下，电池自身电量和充放电功率都有衰减（-7摄氏度电量衰减10%左右），所以在低温下仅电池衰减的电量就会对续驶里程有10%的影响，同时在低温下电池的充放电功率变化，对整车动力性和充电速率也都会有一定的影响。 电动车加热无法像传统燃油车一样利用排气的热量，需要一个外置的加热装置，现在大部分用的都是PTC加热，说白了就是一个电阻丝通电加热，然后靠风扇或者鼓风机直接把电阻丝加热后的热风吹进驾驶舱，或者是电阻丝加热水，再把水的热风吹进驾驶舱。-7摄氏度PTC平均功率可达到2-3Kw甚至更多（还不算电池加热），一个百公里耗电13度的电动车，平均车速在30km/h左右的工况下，空调的百公里耗电就接近10度，再加上电池的衰减。。。。。。所以很多车低温下的里程只能达到常温的一半。现在热泵技术的应用可以降低低温的能耗，但是在使用中还是有一些问题，例如更低温度下热泵基本上不起作用还是需要搭配PTC使用，还有制热的速率等，但是我相信以后会有更安全高效的空调技术可以搭载在整车上。 以上是主要介绍了我认为目前新能源汽车的主要优势以及引起用户使用抱怨的主要抱怨点。其实还有很多，例如电驱动对搭载自动驾驶更加友好，现在买新能源车会有一些政策红利等等，当然也有保值率问题，电动车安全顾虑等问题，此处不一一列举了。基于以上的一些问题其实目前各个主机厂及科研机构也正在寻求解决方案争取达成技术突破，例如性能更好的电池，更加安全高效的热管理方案，更高效的空调系统等。 也希望大家多了解这个行业，采用辩证的眼光看待这个行业，而不是一竿子打死，认为所有的新能源企业都是骗补的，新能源车的发展就是错误的。我认为我们应该认同优点，正视差距，解决问题，这也是我们全部汽车人的努力方向和奋斗目标，也正是我想写一些东西的初衷。 以上都是个人的一些理解，旨在交流，由于本人知识水平有限，如有错误和建议也请不吝指正，以互相学习。 氢燃料电池催化材料的挑战与机遇 Matshaw 氢燃料电池在汽车领域具有综合能效高、环境友好、高可靠、启动迅速等特性，也因此氢燃料电池在汽车领域应用最为普遍。氢燃料电池的催化材料是氢燃料电池结构中的核心材料部件，是电池正常、高效的运行保障。随着当前环境污染压力的不断上升，社会对大规模使用清洁新能源的需求更加迫切，也因此对氢燃料电池催化材料的成本、催化活性、催化稳定性提出了更加严格的要求。 1. 氢燃料电池行业发展分析 燃料电池的种类相当多，目前市场上主要有碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)。这些不同种类的燃料电池输出功率范围、发电效率、优缺点、应用领域都不尽相同。目前主流用于汽车的燃料电池是氢燃料电池，氢燃料电池是一种能够将储存在燃料（氢气）和氧化剂（空气中的氧气）中的化学能直接转换为电能的能量转换装置，其基本工作原理就是电解水的逆过程，而目前在氢燃料电池中以质子交换膜燃料电池居多，这主要是因为其在电动汽车、固定发电站领域具有广阔的大规模应用的前景。 图1为目前市场常见电池近十年的出货量，从图中我们可以看到整体燃料电池出货量从2009-2013年大幅上升，2013年以后整体出货量的趋势稳重有升。另外，可以看到氢燃料电池PEMC从2014-2018年整体趋势略有降低，但目前占有率仍然很高（高于50%）。值得注意的是SOFC电池的出货量这几年增加也较为明显，这主要是由于SOFC在亚太地区尤其是在日本小型高效率发电系统ENE-FARM的家用燃料电池正在快速普及和发展。
数据来源：Fuel Cell Today和E4tech (2018年为1-10月数据) 图1 全球燃料电池2009-2018年出货量
数据来源：Fuel Cell Today和E4tech (2018年为1-10月数据) 图2 全球燃料电池2009-2018年出货量以瓦数计(MW) 图2为全球燃料电池2009-2018年出货量，以瓦数计(MW)。从图中可以看到发电容量急剧上升，仅2018年全球燃料电池出货量已经约为800MW，而PEMFC电池的发电量达到589.1MW，明显占据主导地位，占比达到73.35%。由此可见，质子交换膜型氢燃料电池无论是电池数量还是发电容量上看都是主流的燃料电池技术，2015年以来PEMFC出货量（以瓦数计）的暴增一方面得益于丰田（功率114kw）和现代（功率110kw）等燃料电池车的产量增长；另一方面是因为日本和欧洲等地的小型热电联产项目持续增加，在这方面，日本和加拿大的企业占据主要市场。此外，中国最近几年也大力支持PEMFC电动汽车的发展。 2015年，国务院印发《中国制造2025》，提出了燃料电池汽车的战略目标及研究方向。目标到2020年，我国逐步实现关键材料和零部件国产化、燃料电池堆和整车性能提升、燃料电池汽车运行规模扩大。通过对关键材料、电池堆系统及通用化技术等重点领域的研究，到2020年实现关键技术攻关，2025年完成商业化产品全产业链的建设，并实现区域小规模运行。梳理过往政策则不难发现，政府对于燃料电池的政策倾斜正在加大。尤其是2018年的补贴政策，进一步提升了电动车锂电池能量密度的补贴门槛要求，而对燃料电池车的补贴力度则保持不变。另外，2016年10月，《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》，2020年，加氢站100座，燃料电池汽车10000辆；2030年加氢站1000座，燃料电池车辆200万辆；2050年加氢站网络构建完成，燃料电池车辆1000万辆，可见目前国家政策也是极力推进氢燃料电池的商业化和大规模使用。2019年3月26日四部委发布《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，其中提到地方应“支持充电(加氢)基础设施‘短板’建设”。今年的《政府工作报告》也提及稳定汽车消费，推动充电、加氢等设施建设。可见，发展氢能源汽车已经得到中国政府相当程度的重视。 氢燃料电池上游包含电池组件和氢能两大类，氢能产业链有三大环节，每个环节都有很高的技术壁垒和技术难点，目前上游的电解水制氢技术、中游的化学储氢技术和下游的燃料电池在车辆和分布式发电中的应用被广泛看好；电池组件包括燃料电池电堆、空压机、水泵、氢泵、储氢器、加湿器等。产业链中游是燃料电池系统的组装部分。产业下游应用主要有固定发电、交通运输、便携式电子以及包含军事、航天在内的特殊领域。 2. 氢燃料电池关键材料—催化剂 燃料电池核心系统是电堆，其成本占整个燃料系统的60%。如果说电堆是燃料电池产业链的决定因素，那么催化剂和质子交换膜就是整个氢燃料电池行业的命脉。2017年，中国一共生产了1272辆燃料电池商用车，催化剂和质子交换膜基本全部依托进口。因而，催化剂和质子交换膜的国产化是氢燃料电池发展的亟需解决的核心材料问题。氢燃料电池电堆系统主要由催化剂、气体扩散层、质子交换膜等组成。图3是氢燃料电池电堆成本构成，其中催化剂所占电堆成本比例最高，这主要是当前商业化催化剂的种类限制所致。催化剂是质子交换膜燃料电池膜电极（MEA）的关键材料之一，决定了电池的放电性能和寿命。由于PEMFC工作温度不足100oC，对催化剂活性要求很高，而铂(Pt)催化剂具有良好的分子吸附、离解特性，因此铂催化剂成为最理想、也是当前唯一商业化的催化剂材料。铂金属价格昂贵，我国的储存量也非常短缺。
数据来源：日本NEDO 图3 氢燃料电池电堆成本构成 Pt催化剂除了受成本与资源制约外，也存在耐久性问题（主要体现在稳定性上）。通过燃料电池衰减机制分析可知，燃料电池在车辆运行工况下，催化剂会发生衰减，如在动电位作用下会发生Pt纳米颗粒的团聚、迁移、流失等。这些问题都是制约燃料电池发展的关键因素，针对这些成本和耐久性问题，研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前热点问题之一。目前，已经研发出的催化剂的种类主要有铂基催化剂、低铂催化剂与非铂催化剂。
图4 氢燃料电池催化剂 铂基催化剂材料在质子交换膜燃料电池的催化层中Pt载量一般为：阳极0.3mg/cm2、阴极0.4mg/cm2，每辆燃料电池乘用车需要Pt约50g，大巴需要约100g。Pt昂贵的价格对于燃料电池大规模商业化是个极大的阻碍。因此，研发低铂和非铂系催化剂是目前研究重点。在低铂系催化剂方面，核壳类催化剂和纳米结构催化剂是研究热点，主要原理是利用结构化修饰得到具有特殊形貌和晶面的优化分布的材料，使其具有更优异的性能。核壳类催化剂以催化剂活性组分作为壳，以过渡金属元素作为核，具有很高的贵金属利用率和氧还原催化活性。纳米结构催化剂在氧还原反应活性方面也较传统Pt催化剂高出50%。Pt单原子壳层核壳催化剂尤其能最大限度地提高Pt催化剂的利用率。因此催化剂的特殊纳米结构化是燃料电池低铂载量的重要研发方向。非铂系催化剂的研究重点在三块：钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂。钯基催化剂使用金属钯(Pd)代替Pt，Pd具有储量丰富、价格便宜的优点。但Pd基催化剂的催化活性远不及Pt基催化剂，需要通过调节表面电子结构来获得与Pt基催化剂相当的催化活性。在众多非贵金属催化剂中，过渡金属-氮-碳化合物因其具有可观的催化活性。非金属催化剂的研究主要是各种杂原子掺杂的纳米碳材料，包括硼掺杂、氮掺杂、磷掺杂等。碳材料掺杂后能明显提升氧还原催化活性，但催化剂的稳定性较Pt基催化剂仍有较大差距。非铂催化剂真正实现产业化还需要解决高活性、高稳定性的问题。因此，对于开发廉价、高效、可产业化的催化剂仍然具有非常高的挑战性。 2017年1月，大连理工大学宋玉江教授团队将分子自组装技术与高温热解方法结合制备出一种非贵金属电催化剂，有效提高了燃料电池电催化剂的耐久性。2017年7月，上海交通大学章俊良教授课题组成功制备出具有单分散性的球形高活性PdxNi1-x@Pt/C核壳纳米催化剂，在不损失燃料电池寿命的前提下，可大幅降低燃料电池的铂用量。2017年7月，中国科学技术大学曾杰教授课题组与合作者共同设计出一种直径仅有1.3纳米的、铑原子掺杂的超细纳米线铂催化剂，铂原子的利用率达到48.6%。研究表明，该催化剂质量活性和比活性分别达到了商业铂碳催化剂的7.8倍和5.4倍。同时，该催化剂在循环使用1万次后，仅损失了9.2%的质量活性。2018年4月，武汉喜玛拉雅光电采用清华大学催化剂制备工艺自主研发的燃料电池Pt/C催化剂量产技术取得突破。2018年6月，北京大学工学院郭少军团队开发了一种新型哑铃状的PtFe-Fe2C纳米粒子。该催化剂在酸性介质中的氧还原的比活性和质量活性分别达到了353mA/cm2和1.50A/mg，比商业铂碳催化剂分别高出11.8倍和7.1倍，且具有极为优异的电化学稳定性，经历5000个循环，催化剂的活性几乎没有衰减。最新2019年1月31日《自然》研究报道，中国科学技术大学，研制出一种新型催化剂，攻克了新能源汽车氢燃料电池汽车推广应用的关键难题：解除氢燃料电池一氧化碳“中毒休克”危机，延长电池寿命，拓宽电池使用温度环境，在寒冬也能正常启动。这些关键性的研究成果具有里程碑意义，表明中国正在加快掌握燃料电池催化剂材料产业的核心技术，逐步打破国外长期的技术封锁。 3. 氢燃料电池催化材料专利及国内外重点公司分析 从图5可以看到2002-2018年氢燃料电池催化材料相关专利申请数量变化，可以看到从2015年开始氢燃料电池催化材料相关专利申请数量明显上升，主要由于国家对氢燃料电池提出技术创新、突破的政策导向使得对氢燃料电池催化材料的研究和开发引起高校、研究院所及新能源型企业的极大关注。另外，随着我国对于知识产权的重视，企业也越来越意识到核心技术需要专利的保护，因此，对于专利的申请也更加积极。从图6可以看出近年来氢燃料电池催化剂材料相关专利主要单位、企业的申请专利数量。专利申请主要有公司企业和高校，基本是新能源相关企业，高校也有相关专业的研究团队。据此，表明氢燃料电池催化材料技术在稳定推进和发展。催化技术的革新、保护，这也是为逐步实现清洁氢燃料能源大规模使用的重要的一步。
数据来源：百腾网检索统计 图5 近年来氢燃料电池催化材料相关专利申请数量
数据来源：百腾网检索统计 图6 近年来氢燃料电池催化材料相关专利主要单位、企业申请数量 目前，国外氢燃料电池Pt催化剂材料领军企业主要生产厂家包括美国Gore、Johnson Matthery、田中贵金属等。Gore是生产质子交换膜和膜电极各组件的企业，催化剂仅占业务的一部分。相比而言，Johnson Matthery和田中贵金属是更为专业的燃料电池催化剂生产商。田中贵金属针对燃料电池车，开发了性能与耐久度更为优异的电极催化剂，被应用于本田新型燃料电池车 国内贵研铂业、新源动力和武汉理工新能源都从事了燃料电池催化剂的研发。其中，新源动力和武汉理工新能源的主要研究方向分别为电堆和膜电极，催化剂生产的比重较小，类似于美国Gore。而贵研铂业近年来将研究重心放在贵金属工业催化剂。此外，目前国内的武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司在清华大学技术支持下也能日产200g的Pt/C燃料电池催化剂材料。当前，氢燃料电池核心催化材料已取得一定研究成效，而大批量的生产和回收技术仍然有待创新和提升。在国家政策大力支持下，国内研究机构、企业制备高效氢燃料电池催化剂之路仍然充满了挑战和机遇。来源： 丰田向奇点汽车出售电动汽车技术，撬动中国绿色能源市场 电动知家 据外媒报道，丰田汽车公司同意将电动汽车技术出售给奇点汽车公司(Singulato)，允许这家羽翼未丰的公司加快发展丰田计划的迷你电动汽车。这是丰田首次与中国电动初创公司合作。
由于中国对所有电动汽车和插电式混合动力汽车实行新配额制度，作为回报，丰田能优先购买奇点汽车获得的绿色汽车信贷积分。奇点汽车公司执行CEO沈海寅和两名日本汽车生产商表示，丰田同时还能大致了解中国电动汽车初创公司如何在日新月异的汽车市场进行运营和施展策略。 一名来自丰田公司的职员表示，“电气化、自动驾驶和共享汽车的兴起正在冲击汽车领域，需要重新审视传统方法，尽管我们在汽车技术上有近一个世纪的领先地位，我们也需要谦虚地向后起之秀学习。” 奇点公司将获得丰田eQ(一种电池电微控制器)设计使用许可证。这笔交易将于16日在上海车展上宣布，届时，该公司还将推出一款基于eQ的概念车型。该公司计划将根据中国本土的消费者喜好重新设计这辆车，并计划于2021年初推出一款更实惠、行驶里程更长的车型。沈海寅告诉路透社，这项交易为他们提供节省时间和成本的方法，使其能够开发出一款可靠的汽车，并专注于他们擅长的领域。财务条款预计不会公开。一名奇点公司职员透露，这家初创公司同意为eQ的设计支付“几千万美元”。 丰田表示，他们正采取各种措施加快在中国这一关键市场的业务，但不会就具体步骤置评。沈海寅表示，这项协议表明丰田对奇点公司前景充满信心。奇点公司成立于2014年，得到英特尔公司和日本伊藤忠商事株式会社(Itochu Corp.)资助，目前中国有超过50家电动汽车初创企业，该公司位列其中并在竞争激烈的市场中寻求生存。 丰田在2012年销售了大约100辆eQ汽车，但由于担心电动汽车的限制，包括其标价高昂、行驶里程短和充电时间长，丰田随后停止销售。但奇点汽车相信，技术进步，特别是电池技术的进步，使这辆车更具市场竞争力。 沈海寅说， 据丰田两位消息人士透露，日本汽车制造商致力于通过这次交易同中国分享更多技术，从而加强制造能力和分销渠道，寻求在世界最大的汽车市场上获得更多增长。该协议与丰田本月宣布的协议一致，丰田将为汽车制造商和供应商免费提供近24000项电动汽车技术专利的使用权。 丰田执行副总裁寺师茂树(Shigeki Terashi)告诉路透社，该公司打算成为混合动力系统的二级供应商，并且已经收到超过50家公司的询问。 绿色汽车信贷也是该项交易的重要组成部分。中国热衷于减少空气污染，启动自己的汽车工业，降低对进口石油的依赖，正积极采用电动汽车。根据今年生效的生产配额制度，汽车制造商必须根据总销量的比例生产和销售一定数量的新能源汽车。如果汽车制造商未能实现其配额，必须从另一家信用额度过剩的汽车制造商那里获得新能源汽车积分，否则将面临处罚。丰田曾表示，如果不从其他公司购买信贷积分，最初将无法实现其配额。 据丰田消息人士透露，与奇点公司的交易已经让他们初步了解中国电动汽车初创企业的思维和他们非传统的工程方法。 --------------------------------------------------- --------------------------------------------------- 本文来源【汽车工程师cartech8】版权归原作者所有 |
