汽车动力随便聊系列(1)——开篇

Sunhine Tech2022-06-19 13:01:56

汽车动力随便聊系列(1)——开篇

如果要说21世纪以来最深刻的技术变革,很可能是莫衷一是。但毫无疑问如果拉一个清单的话智能手机和新能源汽车肯定是占据显眼的位置。如果说智能手机技术是电子领域的一次技术递进的话,那么以锂电驱动为代表的新能源汽车则更像是移动动力领域的一次技术突变。递进代表了技术积累之上的内涵拓展,而突变反映的是外部刺激之下的应激反应。我本人主观上不喜欢“新能源汽车”这个名字,能源没有新旧之分,用电池这个“新能源”去挑逗内燃机更不合适,因为单纯从历史角度,电池要更老一些。

左为第一台工业化内燃机模型(公元1883年),右为在埃及金字塔出土的可发电的神秘装置,疑似“燃料电池”(约公元前2600年),二者相差4000多年 

聊正事儿。

 

1、   异军突入

三元正极材料工业化核心工艺技术的突破是电动车市场化的一个重要技术支撑。在此之前电动车还是纸上谈兵,短短数十年NCM NCA的材料合成,形貌控制,界面改性技术日益成熟,高密度,高稳定性的电极成功推向市场,但目前商用化的核心技术主要掌握在松下,索尼等传统高新电池企业中。

虽然从另一方面讲,电池的成本迄今还是硬伤,但是有句话叫:“市场就怕搅局者”。说到这里就绕不过纯电动企业里一骑绝尘的明星产品特斯拉。

 

特斯拉汽车公司CEO马斯克和他的小宠物

它就像一条鲶鱼被扔进了略显暮气的汽车动力的鱼缸,气氛被轰起来了:市场、资本、政策、技术都开始跟着节奏开始骚动。“疯子”的逻辑就是“我不管太多,先把产品做出来,有产品我们就能赢得时间,有时间我们就有一切可能”。市场层面的逻辑是“新期待”——对动力性、舒适度、价格、智能化的美好期待。电动车的加速性,静音效果,及其加持的“智能化”(虽然汽车智能化和动力形式基本没有必然联系,但是电动车制造商对智能化技术的捆绑策略确实极大推动了汽车智能化的进程,并且这种效果在不断放大。尽管汽油车也能做到,但是电动汽车即智能汽车的理念已经被深植人心了。)组合大大提升了消费者的信心。资本层面应该是最“油滑”的,它们有点像比较聪明的丈母娘,喜欢能够在未来赚到大钱的“潜力股”,因此市场、技术和政策必然会招引其疯狂卷入。政策先不谈,那么能聊一下的就只剩下技术了。


2、   内燃机现状

内燃机是现代工业技术的集大成者。一台内燃机毫不夸张可以说几乎能召集齐所有的工业部类,它的特点:零部件众多,技术要求繁杂,设计制造精密,对零部件和系统性能考核及其严苛(笔者所接触到的内燃机部件如气门缸径、活塞连杆轴孔的内径偏差都在μm级别上)。经过百余年的技术和产业演变,内燃机形成了相当成熟的零部件产业和供应链体系。

从左到右:代表民用汽油机最高水准的大众W12发动机,搭载辉腾、奥迪A8、宾利;最普众的直列四缸增压直喷发动机;当年蝉联三届“全球十佳”的最闪耀的明星(没有之一)——福特1.0T三缸机

从一些高技术附加值的系统如控制系统,喷油系统到各种螺栓、密封胶等小零件都有着相当高的核心技术积累控制在一些耳熟能详的巨无霸企业手中,如电装、博世、大陆、德尔福(下图有左到右)等等。

虽然一代产品从设计到量产的周期非常长,一般五年左右算是比较好的了,亚系统级别的技术升级换代也需要1~2年的时间,但是当代发动机产品尤其是一些著名大品牌公司(如具有代表性的富可敌国的丰田、大众、通用等)发动机的安全性和可靠性也是好到让人震惊,很多安全性和可靠性参数都是用PPM(百万分之一)的水平来表征的。


内燃机零部件检测的常用设备——三坐标综合测量系统,代表作:瑞士Tesa、德国ZeissMahr、美国Hexagon、日本Mitutoyo

可以说,内燃机当今的压力不是来自电池,而是来自政策。指挥刀要求你要减排放(单位里程的二氧化碳、氮氧化合物、颗粒物、碳氢化合物等)。排放不达标就不准你入市,那么就必须通过技术手段来减排,压力就是这么来的。目前技术改进主要集中在三个方面:一是应对二氧化碳排放的问题,主要技术意图是提高输出效率(break efficiency),主要有三个途径:提升热效率、降摩擦、废热再利用;二是应对污染物排放,主要途径有两个:优化缸内混合和燃烧过程,控源;加强尾气后处理系统的转化和拦截能力,节流。

博世公司的尾气零排放处理方案

基于以上技术革新势必带来成本上升,那么一切的成本改进将始终贯穿内燃机发展的整个技术历程,这就是第三。技术革新,讲起来很好听,但实际走起来每进一小步都异常艰难。如一些常规热效率提升的尝试如增加燃烧强度给受热部件如活塞、火花塞、气门等带来更大压力,随之而来的是成本的增加;进气、混合、燃烧阶段的优化技术(如前几年时兴的高雾化喷射,分层喷射和燃烧、多次点火、EGR、米勒或阿特金森循环等)需要综合考虑多中工况,实际优化空间可能并没有预期的效果明显,再是这些技术都需要精确的控制逻辑,往往实现起来会带来诸多现实问题如控制的可靠性和逻辑死锁等导致发动机运行异常甚至损坏。

间接变压缩比的技术方案——米勒循环示意图

人们常说无知者无畏,其实有知者更需要无谓的精神,在内燃机的技术革新道路上,越退却就会发现前面的路越窄,只有不断负重前行,一步一个脚印的搬走脚下的石头,才能把内燃机的路越走越宽。例如日产,丰田等公司尝试的多燃料混烧,通过燃料控制提升效率,通过尾气的热电转化进行尾气处理等为技术革新提供了新的思路,另外机械可变压缩比的实用化技术,被逼急了也会加速研发进程……总之,内燃机的技术储备还很足,尽管很难,二十年内综合利用热效率提升到60%不是不可以期待。

苏老师在专访中强调,2030年内燃机热效率有望突破60%——野心勃勃又充满了豪情斗志


3、   电池的明天

原料污染、回收、成本问题专门另文聊,这里只聊性能。毕竟目前车用动力电池的整个产业焦点在性能的突破,还没有走到成本当头的地步,现在还是在成本离经叛道的不太远的程度下做性能。单纯考虑性能,目前商用化的特斯拉电池组(正极材料为高能量密度的NCA)装车能量密度大约在200Wh/kg,总功100kWh左右,装车重量大于700kg;相比之下,一台大约1.5-2.0L排量的发动机,油耗按照300g/kWh(这个数虽然有点激进)来计算,100kWh的总功需要30kg汽油,发动机加附件总量按200kg,那么电池和发动机的能量密度比大约为1:3,这基本就是比能量的现实。如果考虑到现实车辆中很少汽车的油箱容量只有30kg,那么二者比能量的差距将更大。从价格来讲目前市场上电动车价格普遍比同级汽油车价格偏贵;燃料价格上,100kwh大约100元,同等输出的汽油价格约为300元,贵3倍。所以说如果电池的能量密度进一步获得突破,其前景还是异常光明的。

容易么?好像不是太容易但是机遇与挑战并存。问题有哪些呢?我感觉至少有以下几点。

一是安全问题。安全在汽车上总是先于性能的考虑因素,以特斯拉为例,为抑制安全隐患如碰撞着火、爆炸所采取的各种阻燃和逻辑控制检出系统约占据了1/3的电池包重量。

特斯拉自燃事件,促使特斯拉对电池采取了更保守的安全措施

二是电池组元的电化学特性的限制。对正极材料而言,可逆电压、电子和离子导电性、骨架结构的电化学稳定性是至关重要的因素。可逆电压高会直接提升能量密度,但是高的电池电压带来骨架结构的不稳定性,容易导致可逆结构坍塌,表现就是循环衰减剧烈。电子和离子导电性是另一个令人头疼的问题。电池的充电时间一直是为人诟病的一大焦点,但是一般消费者可能不了解其实作为正极材料的母系结构,如单个直径在5μm左右的LCO颗粒无衰减深度充放电的极限速度为30C左右(即2分钟充满电)并且充电容量基本为理论容量(约137mAh/g),这绝对是一个令人震惊的速度,因为你手机的电池正极材料正是它,但是您的手机很难在2分钟充满理论容量!

单颗粒钴酸锂的快速无损放电

原因是什么?详述起来在这里有点纸短情长了,只能另文了。但是可以概括说一下原因就是LCO中载流子导电率和电池能量密度要求的综合制约。在这种制约之下,电动车的电池不是使用正极一大块、负极一大块,然后中间用隔膜分开,在充入电解质的结构,而是将正极材料混合各种添加剂(如导电剂、粘结剂等)采用涂覆的方式刷注在基板箔上(如铝箔)组成“薄电极”结构。


三是界面的问题。锂电池的有限速度的充放电过程总是一个电化学不可逆过程,理论上讲,每循环一次,界面就演变一次,而这种演变,往往是有害的。具体表现在界面电阻增大,浓差极化增大,有效输出能量减小。界面的演化速度与充放电电压以及电流密度相关,这极大限制了能量密度和输出密度的提升。

四是电解质的限制。宽窗口的电解质材料一直处在锂电创新的风头浪尖。电解质一端处在强氧化性环境(正极)另一端处在强还原性环境(负极),对其自身的稳定性来讲是一个非常严峻的考验。目前的商用化电解质(如LPF)在大于4.5V的电压下变得不稳定,因此电解质本身也是制约5V高密度电极材料的一块短板。

前途在哪里?从整个产业链安全角度出发,首先一个美好的目标是“弃钴”。嵌入式层状正极材料钴酸锂(TH-LiCoO2)的发现是现代锂电进击的导火索,几乎目前所有的动力电池正极材料设计思路都源于此。遗憾的是钴酸锂产业链中的前驱体如它的碳酸盐、硝酸盐、有机醋酸盐、醇盐等,无一例外都被列为了高度可疑致癌物,很多文献报道了其对基因的强烈诱变作用以及生殖致畸作用。钴酸锂材料的生产对污染控制要求非常高。例如在日本由日亚化学牵头的正极材料生产企业基本全为日本国字号大企业(如日本户田、日本矿业、日本化学、日本化工等),其他企业很难进入这个产业,很为污染控制太严格,资质根本拿不到。可以说这些企业代表了日本化工的最高水准。有一次我要采购钴酸锂样品,日本师兄告诉我在日本只有三家公司可以买到,分别是:日本化学、关东化学、三菱化学,可见日本人对钴酸锂的管控之严,门槛之高。我同时查了一下我国的情况,正极材料的生产企业用一个词来形容——多如牛毛!



全球钴酸锂的矿藏分布、加工量分布及我国钴酸锂产业分布

我国的钴矿量仅占全球的1%,但是我们产出了将近40%含钴酸锂基正极材料,胆寒么?Designed by Apple in Califonia Assembled in China这话说的不完整,完全版本应该是:Designed by Apple in Califonia Assembled and Polluted in China。扯远了,收一下就是不能再走“先污染后治理,谁污染谁治理”的老路子了,在它没爆发起来的时候就要把它掐住,因为我们的粮食、水体都经不起再折腾了。

不用钴那用什么呢?记得曾经在《列宁文选》中看到一句话非常应景,大意是:“有时候可以从全局的角度去考虑解决局部问题的办法”。钴酸锂之外比较环保的商用化材料如LMOLFPO等由于能量密度相对较低,在动力电池中略显尴尬。其实目前的电池结构预留了很大的遐想空间给设计工程师,尤其在全固态电解质的导电率突破10-3 S/cm(与液态电解质水平相当)后。电池全固态化可能是下一代动力电池的一个核心方向。

传统液态电解质电池和全固态电池的电池包结构对比,凸显全固态诱人的终产品能量密度提升潜力

它在高能量密度、安全、快充、够稳定性、长寿命方面有着巨大的潜力,目前全固态电池的核心应用技术几乎只掌握在日本几个超级巨头手中,目前丰田固态电池样车的能量密度大约在200Wh/kg,大约是特斯拉的2倍,丰田声称未来10年预计实现500 Wh/kg,届时可基本实现1000多公里续航,而且充电速度会比液态电池减少一半左右。

汽车行业领头羊——丰田高调宣布全固态电池计划,日产紧随其后

4、   混动,目前现实的考虑

混动不应该只是组合,而更多的应该走向创新。拿丰田混动为例,目前的混动设计理念是“工况选择”。即:在当汽车在内燃机的高效率工况区运行时使用内燃机驱动模式(如郊区等高速工况),当运行到内燃机低效率区时(如市区低速工况)采用电池驱动模式,同时在起步和加速时还可以让电池介入来秀一把加速体验。


这当然对内燃机的综合效率提升有所贡献,但是它只是避开了一小部分内燃机的效率损失,其实还有很多内燃机的其他热量,通过与合适的电池相组合可以加以回收利用。如刹车的惯性能(很多新一代混动已经加以考虑)、尾气热量、冷却水热量。尤其是后两者的介质热量,在内燃机的整个热量损失中占40%左右,如果能够实现10%左右的热电转化,那将是一个巨大的效率提升。全固态电池的特性,使得这个以前比较困难的热电转化具备了相当程度的可控成本下的现实性,这个目前我们正在申请相关技术的专利。顺便说一句,目前丰田在日本的乘用车基本全部实现了混动,真正到了无混动不丰田的时代了。

怎么结尾呢?愿科技使这个世界和平,愿科技使这个世界充满温暖和爱意,愿科技把汽车变成童话里的样子。


煎蛋酱 

20181230日于东京