走出车辆设计误区，降低对车载电池能量密度的期望

摘要：

A  从车载能源的有效能量密度、备用能量密度这两个角度出发，你会发现整车的轻量化、及补能方式才是车载能源的关键。

B  即便电池能量密度已宣称达到1000WH／KG，但对电动化车辆来说并不重要。全球近似疯狂的电池研发可以进入平静的循序渐进的合理过程。

2019年4月5日，瑞士Innolith AG宣布在其德国实验室“it is developing world’s first 1000 Wh／kg rechargeable battery”这个电池不只是能量密度高达1000Wh／kg，其原型产品在美国的实验室“this battery has been proven to operate for more than 55，000 full depth of discharge cycles”更是完成了高达55000次的快速充放电实验。更可喜的是这样的电池更安全，不容易燃烧。（这些内容来自Innolith AG官网，尚不得知该原型电池材料是否有毒、快速充电倍率和生产制造成本等）

这样巨大的电池突破，让人觉得这个世界马上就要发生翻天覆地的变化。

然而，在作者看来，这样的突破对于电动车来说，影响有限。原因在于1KWH／KG的电池能量密度，对车辆的有效能量密度提升并不明显。而对于备用能量密度而言，比不上LY混动车的增程系统。

（交通工具单次补能从A地点到B地点。所耗费的能量，除以整车空载质量成为称为有效能量密度。交通工具单次补能从A地点到B地点。所剩余在车上的能量，除以整车空载质量称为备用能量密度。有效能量密度说明整车轻量化很重要，是衡量单位能量转化为车辆移动能力有效功的效率。备用能量密度跟储能介质能量密度有关，是衡量车辆能走多远里程）

当前车辆设计存在一个非常大的错误、认为提升电池能量密度、或者氢燃料高能量密度的燃料是车辆设计的重中之重。但是、作者认为高能量密度的电池对车辆有效能量密度提升贡献率不高、而且电池备用能量密度远低于LY混动车的增程系统。

先看一下LY混动车的结构框图

图 1 LY混动车结构示意框图

按照多参定因法的分析习惯，先确定一个跟车辆储能无关的界限划分，在纯电动车中，电池是一个单独因子。LY混动车中车载电池、增程系统是一个因子（发电电动机归属车辆车身结构，与储能有关，但是属于分时复用，对整车重量没有增加，只是降低了车辆的加速性能、降低了最高速度）。这个界限还可以进一步划分，LY混动车的电池电量与纯电动车电池电量相互抵消扣除。也就是说我们只需要优化增程系统、电池组的质量。举例说明。纯电动车续航600公里，百公里耗电18度。需要108度电。LY混动车配置为20度＋增程系统。那么有只需要优化、比较88度电容量与15KWe增程系统这两个因子。

我们知道目前实验室电池最高能量密度水平是Innolith AG达到1KWH／KG。理论上电池最高能量密度则是2018年Goodenough研究室Braga女士开发出来的Li－S化学电池与超级电容复合类电池，其理论值达到8KWH／KG。实际有望达到30～40％。也就是3．2KWH／KG。

但是这些电池技术在LY混动车面前，毫无竞争力。

我们先看一下LY混动车的增程系统的能量密度

图 2  LY混动车增程系统甲烷、柴油、甲醇、二甲醚在0～100KG的能量密度

图2是设定15KWe的LY混动车增程系统有效发电量除以（整个增程系统净重＋燃料重量）。这个图表的设定条件为表1

在表1的工程技术条件下，假定100KG燃料全部用完柴油、甲醇、二甲醚、甲烷作为备用能源时的性能如下表。

我们使用性能最差的甲醇作为燃料，增程系统总重量为130KG。发电220度。而Innolith AG的1KWH／KG。电池需要220KG重量。比增程系统重90KG。燃料耗尽需要15小时，车载电池电量20度，百公里耗电15度。确保了不会出现电池电量耗尽的情况。能量密度上LY混动车胜出。

再比较一下补能方式，LY混动车使用80KW以上直流快充，15分钟能充电达到16度以上。补充甲醇燃料，不会超过3分钟。而240度Innolith AG的锂电池，采用1000KW直流快充也最快需要14．4分钟。这么大功率的的充电桩几乎没有办法实现，如果使用120KW快充。最快也要2小时。补能方式上LY混动车胜出。

Innolith AG的锂电池的制造成本未知，可以确定不会低于目前的磷酸铁锂电池。使用磷酸铁锂电池的制造成本1000元／度计算。240度电池需要24万。而LY混动车需要2万＋1万＝3万（增程系统的制造成本低于1万元，使用摩托车发动机成本估算也就数千元）。

再比较一下耗能成本，我们采用国家生物质上网侧标杆电价0．69元每度计算。（注意上网侧，不是家用电）。燃料甲醇我们使用批发价2000元每吨计算。

纯电动车的耗能成本为0．69＊240＝165．6元，LY混动车的耗能成本为213．8元。如果采用国家充电桩标杆电价1．2～1．8元每度＋服务费，设为2元。那么纯电动车耗能成本为480元，LY混动车耗能成本为240元。LY混动车胜出。

我们从环境成本上看，LY混动车以甲醇为燃料，除了排放少量氮氧化物，几乎没有污染。甲醇是以生物质为原料、太阳能为能量源而制造得来。只是促进了碳循环，没有增加二氧化碳排放。并解决了太阳能的储能问题。

由上面的比较得知，任何电池技术对车载能源来说，都不重要。即便理论上的电池技术最大值都达到了。电池也无法跟LY混动车竞争。我们应该走出汽车设计的误区，降低对车载电池能量密度的期望。