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锂离子电池VS燃料电池:谁才是电动汽车的动力源?

2017-08-10来源:

  锂离子电池VS燃料电池:谁才是电动汽车的动力源?


  上世纪末期,西方国家展开了第一轮新能源汽车的研究和产业化浪潮。当时,欧美日这三大汽车生产集团对新能源汽车的发展方向有较大的分歧,比如美国主推“氢经济”,日本则是把产业化重点放在自然吸气技术和HEV,将燃料电池汽车作为战略研究方向。


  而以德国为代表的欧洲车企则强调传统内燃机的优化和技术革新,但同时也投入相当多资源进行燃料电池汽车的研发。事实上,西方主流汽车生产商当时都不认为锂电纯电动汽车具有可行性。因此,在小布什总统当政的8年时间里,氢能和燃料电池的基础研究和产业化在西方尤其是美国达到了巅峰状态。


  欧美之所以一开始就选择燃料电池而不是锂离子电池,在笔者看来,主要是基于三个方面的原因。第一个原因也是最主要的原因,燃料电池在能量密度和功率密度上相对于二次电池具有绝对优势,就工况特性而言燃料电池比二次电池更加适合用作汽车主动力源。而当时锂离子电池动力电池才刚刚开始研究而已,性能并不理想而远未达到实际装车条件。


  另一方面,欧美发达国家一直占据全球产业链的顶端而谋取高额利润,它们认为二次电池产业是一个低附加值行业是亚洲人的事情,欧美本质上是不屑于发展这种利润率较低的实体经济的。长期不重视,造成了欧洲和北美缺乏规模化的锂电企业,锂电产业链也一直没能建立起来,而欧美在燃料电池领域拥有绝对优势地位。


  另外,从整个产业链的角度而言,氢能和燃料电池对相关工业整体水平的带动和提升的确要比锂离子电池产业高一个档次。那么,欧美当初选择发展氢能和燃料电池而不是锂离子电池,也是合乎逻辑的。


  欧美的燃料电池汽车研究和产业化都是在各大汽车公司的主导下进行的,在全球第一轮燃料电池汽车开发热潮中,各大汽车公司的情况并不一样。


  通用汽车是全球第一轮“氢经济”浪潮的领头羊,GM很早就有电动汽车研发经验,全球首辆燃料电池汽车ChevroletElectrovan就是GM在1966年首先制造出来的。


  跟国际上其它主流车企不一样的是,GM在燃料电池汽车领域一直是坚持自主研发,当时并没有选择与其它车企或者燃料电池公司合作开发。GM在燃料电池催化剂、MEA以及电堆系统的基础研究方面都有相当的积累,在FC-EV整车方面的实力则与Toyota不相上下。


  Daimler-Benz、Ford、Toyota、VW和Honda则是基于加拿大Ballard公司燃料电池电堆开发了自己的第一代FC-EV,通过各种燃料电池汽车示范项目验证了第一代技术。其中Daimler-Benz和Ford还参股Ballard18%和20%的股份。


  韩国现代则是选择与美国UTC公司合作,采用UTC燃料电池技术开发出自己的第一代FC-EV。第一代FC-EV技术主要特征是燃料电池功率的密度可以满足汽车动力要求,寿命在2000~3000小时范围,但同时成本也非常高。


  然而,当时EU和DOE的规划轻视了诸多技术、产品和市场转化过程中的关键问题,对技术进展、基础设施、市场培育过程等问题估计比较乐观,当这些问题遇到障碍时,客观上影响到政府及产业界对燃料电池汽车产业化的预期。


  于是2008年奥巴马当选美国总统以后,美国政府在新能源和电动汽车的战略方向就从氢能和燃料电池转向了锂离子电池,这也就是当前的第二轮电动汽车产业化热潮,只不过动力系统的技术路线从燃料电池转换到了锂离子电池。


  伴随着2008年锂离子电动汽车的兴起,燃料电池汽车技术进入到第二个发展阶段,政府资金投入与第一阶段相比明显减小。比如DOE这几年就削减了燃料电池技术在汽车领域的研发项目资助,仅保留了燃料电池在固定式发电领域及商用叉车项目资助。


  在FC-EV的第二个发展阶段,欧美汽车公司虽然仍然保留燃料电池汽车的研发项目,但大多削减了研发预算。只有日本车企一直在坚持,最终日本燃料电池汽车技术跟HEV电动汽车一样,再次引领国际技术前沿。


  总的来说,近几年全球各大汽车公司纷纷开发出自己的燃料电池电堆技术,并且大幅提高了功率密度,使用寿命也都达到5000小时的产业化基本要求,并且燃料电池汽车成本大幅下降。


  如果我们了解过去15年欧美在电动汽车技术路线上的转变,就会对当今全球电动汽车的发展现状和趋势有更加深刻的认识。过去欧美主流汽车厂家一直把电动汽车的重心放在FC-EV上,而锂电产业链在欧洲和北美一直没有发展起来,欧美汽车公司自然也不可能在锂电技术上有多少认识和积累。


  而日本的情况则决然不同,由于在二次电池和燃料电池两大产业链上同时居于全球领先地位,使得日本一直是全球电动汽车的领头羊。于是,我们就看到当前的全球EV的基本战略格局:


  美国:当前国际上只有Tesla在大张旗鼓地搞LIB-EV,Tesla在锂离子电池和燃料电池方面都没有任何技术积累,它完全是迫于技术和成本的现实问题而不得不选择锂离子电池,而且是一条剑走偏锋的18650技术路线。


  GM过去一直专注于FC-EV,在PEMFC催化剂、MEA和电堆方面都上有很强的技术积累。GM在1996-1999年还生产过北美第一款量产型纯电动车EV1,不过后来以失败告终。


  2008年以后,迫于DOE的政策引导,GM也搞了Volt混合电动车装点门面,并且涉足小型锂电纯电动车,但GM在电动汽车方面的“半吊子”水平并没有对日系电动车构成多少威胁。不过GM并没有放弃FC-EV,新一代Hydrogen4据称将于今年年底上市。至于美国另外两大车企Ford和克莱斯勒,在新能源汽车领域似乎早已经被大家所遗忘。


  欧洲:德国是欧洲汽车工业的领头羊,欧洲诸多车企也只有VW、BMW和Daimler-Benz三家能够独立在电动汽车方面展开研发和生产,而这三家车企早期走的都是燃料电池路线,而这与德国强大的燃料电池产业基础是直接相关的。


  VW作为全球第二大汽车生产商,VW现阶段的战略重点是PHEV,已经有数款PHEV车型问市。


  VW在燃料电池方面主要是与加拿大Ballard公司合作,去年VW在洛杉矶车展上展示了燃料电池版的AudiA7、Golf以及Passat,这三款车型均采用VW与Ballard合作开发的第四代100KW级PEMFC电池组,VW目前正在发展第五代燃料电池系统,定位是高端车系。在纯电动汽车方面,到目前为止VW仅仅有e-up和e-Golf两款锂电纯电动汽车规划而尚未有实际量产,定位明显在低端市场。


  BMW在过去20年里对各种新能源技术都有广泛的试验。氢能方面主要是燃料电池和氢气内燃机。在纯电动车方面,BMW装车试验了铅酸、Na-S、ZEBRA、镍氢和锂离子几乎所有类型的二次电池,积累了丰富的测试经验。


  但BMW对二次电池和燃料电池都没有很深入的认识和技术储备,所以我们看到BMW目前在i系列电动汽车上是三驾马车,i3是锂电纯电动车而i5和i8都是PHEV。之前BMW曾经将一辆245HP的宝马5系车改造成FC-EV,后来证实BMW已经暂缓其FC-EV商业化进程。BMW是双面下注的典型代表,潜台词则是因为在锂电和FC方面都不掌握关键技术心里完全没底。


  Daimler-Benz之前走的是FC-EV路线,还收购了Ballard的燃料电池汽车业务,使其成为PEMFC零件开发公司。数年前Daimler-Benz也开始专注于PHEV,最近还“宣称”要推出一款跟TeslaModelS相抗衡的纯电动汽车。


  为了获得锂电相关技术,Daimler-Benz后来联合Evonic成立了Li-Tec公司生产锂离子动力电池,不过由于缺乏技术以及成本高昂等原因,Li-Tec一直没有市场而导致经营难以为继而破产。


  日韩:由于日本同时在二次电池和燃料电池两大产业链上同时居于全球领先地位,使得日本一直都是全球电动汽车的领头羊,这是我们不得不承认的现实。不过日本几大车企的情况并不完全一致。


  Nissan在PEMFC和二次电池上都有相当的技术储备,但不及Toyota强。Nissan和NEC合资成立的AutomotiveEnergySupply生产锂离子动力电池。Leaf纯电动车自2010年投产以来,截至2015年十月底在全球已经累积销售超过18万辆。


  Leaf纯电动车只是小型车,并非严格意义上的中级轿车。即便是2016年即将量产的新版Leaf,按照美国EPA标准续航里程也不到200Km。Nissan在FC-EV上同样可圈可点,其新一代燃料电池汽车已确定在2015年年底上市。目前Nissan在电动汽车领域的发展战略是以锂电纯电动汽车为主,燃料电池电动车为辅。


  Toyota作为全球最大的汽车生产商,同时也是当之无愧的电动汽车领头羊,在HEV领域无人能及,截止到2015年七月底丰田混合动力汽车全球销售量已经超过800万辆。Prius是全球第一种大规模量产的HEV车型,在电动汽车发展历史上具有里程碑的意义。


  此外,丰田旗下豪华品牌雷克萨斯也以混动见长。而反观其它欧美主流车企在新能源汽车方面拿不出任何一款车型可与之匹敌,丰田在HEV领域的霸主地位可见一斑。Toyota是全球主流汽车厂商中唯一对二次电池和燃料电池都有非常深入研究的公司。


  Toyota与Panasonic合资的镍氢电池厂PrimearthEnergy,Toyota控股80.5%。Toyota自身完全有技术能力生产锂离子电池,但Toyota并没有与其它日本锂电公司建立合资公司。丰田深知二次电池的优势是什么、燃料电池的长处在哪里,而不是玩一些虚无缥缈概念。于是,我就看到Toyota在HEV和FC-EV两方面的战略布局,而对LIB-EV不屑一顾。


  而本田在电动汽车方面的发展战略与Toyota非常相似,也是着眼于HEV和FC-EV两方面,这主要是得益于Honda在锂电和燃料电池两方面都有相当的技术积累。Honda与汤浅合资成立的BlueEnergy生产锂离子动力电池,而燃料电池技术则是与GM合作研发的,本田的新一代FC-EVFCVClarity已经确定将在2016年量产。


  韩国现代在电动汽车发展方面也是跟Toyota比较相似,现代2007以后与GM共同研发燃料电池汽车,加上之前与美国UTC的合作,现代汽车在燃料电池核心技术研发方面颇有进展。去年在洛杉矶车展上正式推出了ix35FC-EV,已经基本上掌握了燃料电池汽车技术。现代在混动领域也没闲着,HEV版伊兰特已经确定今年上市。


  其实,这些国际主流汽车厂商在电动汽车方面的战略布局,还可以从他们跟电池汽车的关联上管中窥豹。从HEV到PHEV再发展到EV,动力电池系统的成本比重越来越大,特斯拉ModelS的动力电池系统成本就已经接近整车成本的60%。


  毫无疑问,动力电池系统是纯电动汽车最为核心的部件,对于任何有志于在锂电纯电动车汽车上有所作为的国际主流车企,他们无论如何是不会让这个最为关键的部件被外人掌控的。那么,国际主流汽车企跟电池企业的关联,就是破解这些主流汽车厂家在纯电动汽车方面战略布局的钥匙。