讲座｜提高电动车航程的有关技术考虑以及氢能开发的展望
AICF秘书处 AICF 2024-03-15 10:32 法国
（巴黎时间）2024年3月3日下午，中国旅法工程师协会AICF在巴黎举办了科技与产业讲座及协会年会与理事会换届选举，近80名会员和专业人士参加了本次大会。
三位主讲嘉宾为大家带来了丰富精彩的分享，我们将分为三篇专题报道回顾讲座的精彩内容。本专题报道将向大家介绍入选2023年欧洲华人十大科技领军人才的余清根博士的分享，主题为“提高电动车航程的有关技术考虑以及氢能开发的展望”。
余清根博士首先进行了自我介绍，他1982年毕业于西安交通大学，1983年赴法留学，1989年获洛林理工学院机械和能源博士。1989年起加盟雷诺，入职后5-6年一直在研究雷诺燃油车的冷却系统，随后就已开始从事电动车的前沿研发工作。由于入职35年来一直从事雷诺汽车前沿研发和技术创新工作，他拥有130多项关于电池、电机、电子原件及整车热管理专利，2001年被该公司授予传热学领域专家及此领域负责人。他精通研发汽车各种驱动系统（常规燃油发动机、燃料电池驱动车、油电混合驱动车及纯电车）的冷却及升温，是目前雷诺燃料电池汽车冷却系统、三电冷却以及整车热管理等各领域资深的唯一专家。从事过汽车节能、废热利用、热能储存、热能转机械能及电能技术研发。是多相流、相变传热、喷射流及纳米流体强化传热专家。也是AMESIM冷却计算平台的创建者。2022年余清根博士赢得“雷诺兄弟技术创新”银质奖章。
通过介绍余博士35年的工作经历及其所持有的专利所涉及的领域，可以看到囊括了汽车在不同时期的不同重要组件，包括冷却系统（共获得37项专利，第一个专利于1996年获取）、燃油发动机、电池（1997年）、氢能汽车、电机、混合动力汽车、动力电子、热交换器以及空调取暖等。其中电动汽车的“三电”：电池、电机、电控每一个方面他都获得了10个以上的专利。
接下来，余清根博士首先跟大家介绍了一下几种常见的新能源汽车和电动汽车。谈到新能源车，首先要讲到“能量载体”的概念，通俗的说法都认为是电池，可以储存和释放能量的载体。从能量学的角度而言，氢也是一种能量载体。另一个概念是“初始能源”，例如太阳能，风能。
能量载体其实有很多种，最常见的除了之前谈到的电池和氢，还有压缩空气，甚至液态氮也行。例如1900年巴黎的公交车就是用压缩空气驱动的。压缩空气驱动系统最早的是运用在煤矿里面，煤矿里面需要机动车，但是又不能点火，避免爆炸，因此那个年代欧洲就已经用压缩空气驱动了。在2009年甚至在一些车展里面也有看到以压缩空气作为能量载体的设计，但是有很多缺陷，在此不一一列举，从效率, 航程等各个方面都无法与电池相比。
雷诺公司在2012年左右就批量生产和销售电动车，燃料电池的研究也起步较早，在欧洲都算是先锋。那么现在电动车到底存在哪些问题？最主要有两大问题。一是航程问题，早期第一代车只能开200公里左右，到了冬天150公里都达不到，随后不断提升，目前能到400公里左右甚至更高一点。但是和耗油少的燃油车比，加满油可以开1000公里左右。那么电动车的航程能不能达到1000公里呢？这是我们需要讨论的问题。还有个问题，就是成本和价格。电车的成本通常是一般的车的2-3倍，虽然目前也出现了一些廉价电车，约 2万欧元多一点。
除了以上两个问题以外还有些别的问题，特别是与三电（电池、电机、动力电子原件）温度和冷却有关的问题：20-40度之间是电池最佳充电和使用温度, 零度以下会严重降低电池效率，这样的低温也不能快充，40度以上则会影响电池寿命。另外电机太热的话，其输出功率会受到限制, 甚至要停止运转，车企在设计上也都会考虑这个问题。目前汽车里面一般都是用水来进行冷却，水虽然是一种最佳的冷却剂，但是用到三电相关部件上面就遇到很多问题，通过导热进行冷却及换热的效率很低。
总而言之，最大的问题还是航程和成本。一辆电动车的电池占了整车30-40%的成本，甚至更高。在增加航程的同时，车企希望能降低成本和价格，争取降到和燃油车同一水平。
那么如何能够减除当前电动车航程不足的缺陷，同时又能把价格降下来？
有一种思考，增加电池量：本来车上放300公斤的电池，现在放500公斤甚至600公斤，本来是续航500公里，现在可以续航1000公里……但是这种方法真的可行吗？其实不可行。市场对电池的需求量会陡增，而且电池的自重很大，所占电动车的成本比重也很高，如果用增加电池的方法来增加电车的航程是不可能达到降低成本的目标。
不增加电池量，同时又能够让续航不足的电动车能够进行长途旅程, 是目前车企研发的大方向。要同时满足这二个要求，目前厂家都在搞快速充电。快充的概念是：10-15分钟之内，充一次电就只能续航2小时的高速路，约250公里，按照这个要求，司机可以在高速路上每2小时休息一次。如果有足够的充电桩这个问题就可以解决了，这样对于400-500公里航程的电动车跑长途就没问题了。一旦能做列这点，车企只需要考虑如何降低成本就行了。
现在快速充电也有问题 : 按照基本的物理学公式P=RI2（电阻乘以电流的平方）可以得知，电池充电时间缩短4倍，充电电流也就增加4倍，电池发热量就要增加16倍。早期的电动车，只能3-4千瓦充电，现在的车都变提升到了150-350千瓦充电。这会造成电池的散热量特别大，而电池本身不喜欢高温，一般的锂电池，达到55度就不能输出功率，必须马上降温，到60度都就有危险，必须停止运行。因此，对于快速充电而言，冷却是最关键的问题所在。
另外一个解决续航不足的方法是电池的自动装卸概念。出租车没电了，将整个电池取下来，换上充好电的电池。雷诺公司在出第一批电动车就尝试过这一方法，遇到的最大困难。需要有充足的电池库存。电池需要具备高充电性能…但是实现这一点并不容易，有很多限制因素。增加电池电量密度也是一个发展方向。例如我们所说的固态电池，理论上能够增加一倍的能量密度，但是到底能不能实现目前还是未知数，多年研发出的样品的技术参数没有达到期望值。
也有一些从工艺上、材料上进行研究和突破，争取降低成本。目前也没有实质性突破。因此，目前能达到降低电池成本，又保持现有的电池容量，就已经非常不错。同时想方设法实现快速充电，让司机能够间歇性休息实现长途驾驶。
关于“氢能源电池”，也是一个很有趣的话题。氢是宇宙中含量最丰富的元素，太阳里面主要是氢，地球上氢的含量也很丰富。但是氢分子很小，不易收集和储存。如果通过液化的方式增加其密度，则需要达到零下259度，非常接近绝对零度，即零下273度，要达到这个温度长途运输难度很大。通常是进行高压气态运输，气态储存的问题在于压力非常高。另外氢在大气中含量稀薄，收集大气中的氢来做燃料电池也是不现实的。
氢气的产生方式有3种：一种叫做“灰色氢”，从含碳物（石油、天然气）提取，会产生大量的二氧化碳，甚至产生的二氧化碳比燃油车还高（为了产生1公斤氢气可能会同时产生10公斤二氧化碳）；一种叫做“蓝色氢”，将含碳量很高的碳氢混合物分解后，将随之产生的二氧化碳储存到地下；最后一种叫做“绿色氢”，通过电解的方式产生，不产生二氧化碳，用绿色电能来电解水从而产生氢。
关于“燃料电池汽车”的概念，燃料电池汽车其实是电动车和燃料电池的组合，即用燃料电池取代电动车中的电瓶。从这个定义上而言，其成本也不低，因为它具有电动车里面几乎所有的组件，同时，如果把储存的氢还原成电，它还需要有一套复杂的系统。并且氢燃料电池为了在极小的空间内储存极大量的氢，一般都是高压氢，压强达到700-800个大气压，为了达到这个压缩效率所需能量是氢本身产能的10-15%。因此可想而知，氢能源电车不会便宜。目前通过绿色氢制造的氢能源电车的效率只能达到40-50%。假如还要考虑对产生绿色氢的同时还要通过压缩的方式收集、储存和运输氧气的能耗，其产能效率可能只是电动车的1/3-1/4甚至更低。
从环保的角度而言，如果一个国家产生的电能是不是绿色的电能，目前很多国家，包括欧洲很多国家也没有达到标准，那么是不划算的，从用电来生产氢，压缩氢，到再将氢氧组合来发电的每个环节的能量效率都比较低，如果用非绿色的电来产生氢气，那这样产生的氢会同时产生很多二氧化碳，这样的氢能系统对环保并没有真正意义。它对环境的污染应该比锂电池汽车高得多，并非是真正的环保。
因此可以看到，氢能源电车和电动车起步时间相差不大，但是氢能源汽车的发展明显滞后。除了刚才讲到的成本、安全、技术、能效等问题以外，还有一个问题，就是对氢能源电池本身也是很脆弱的，它对氢燃料的纯度要求也非常高，不能含氟、不能含硫等杂质，否则电池就报废。而且燃料电池的冷却系统需要去离子水，防止导电。
因此，氢能源电车要全面取代现有的电动车，任务还是非常艰巨，长路漫漫。