主题：谈F3DM技术特点, 兼谈Volt 和Prius -- 积吉

前面说了“得电池者得电动车天下”。为了取得电池技术的领先地位，中日美三国都在加大研发力度。欧洲这方面没有大的动静，可能他们更相信柴油汽车和未来的燃料电池汽车吧，我们且按下不表。最近电池方面有条新闻引起我的注意：

[URL=]http://battery.clii.com.cn/news/show.asp?InfoName=%E7%BC%81%E5%A4%8B%E5%9E%B6%E6%BF%A1%D1%84%E7%A9%B1%E9%88%A9%E5%86%A7%E7%B4%96&ShowID=240330

[/URL]

另外有消息称SCiB电池的负极材料采用钛酸锂（Li4Ti5O12），并配合使用燃点较高的电解液以及耐热性出色的隔板。此外，在-30℃也可确保80％以上的放电容量，因此还可在寒冷地区使用。串联10个单元的标准模块配备有具备电压和温度监视功能及单元平衡调节等的“电池管理系统”。电流容量为4.2Ah，标称电压为24V。外形尺寸约为100×300×45mm，重量约为2000g。因此，标准模块的能量密度约为50.4Wh/kg左右。

这个SCiB电池到底是什么东东？我可以告诉大家它不是什么新电池，它还是锂锰系电池。SCiB的正极材料是锰酸锂或改性的锰酸锂。由于负极材料采用钛酸锂（其中的锂不参与电荷交流，有点像陶瓷材料）使电压从原来的3.7v 拉低到2.4v. 因此，它的能量密度不高。我们做个对比：比亚迪f3dm上的电池能量密度约为75－83Wh/kg，笔记本电脑电池的电池能量密度在120Wh/kg以上。所以我并不看好SCiB作为笔记本电脑电池的潜力。另外由于负极材料采用钛酸锂，其成本是个大问题。我好奇的是东芝如何解决锂锰系电池的搁置过程中的容量衰减的问题。当然SCiB电池作为动力电池还是有一定潜力的，特别是它的快速充电，5000-6000次的循环寿命和低温充放电性能。但高温性能差，能量密度低,和价格是其致命问题。

为什么我那么肯定SCiB是锂锰系电池呢？这还要从中日美三国的动力电池体系说起。日本是锂锰系电池体系，拥有其领先的技术和大量专利。美国是锂铁系（正极是磷酸铁锂）电池体系，拥有原始的研究性专利和各种先进的制造技术。中国是从锂锰系转到锂铁系来的。比亚迪动力电池的发展是一个代表：估计在03－05年想用锰酸锂电池，而后发现磷酸铁锂更好用就改用锂铁系电池了。锰酸锂电池在中国使用的反映是不太好用，不知SCiB电池如何。丰田的Prius 用的是镍氢电池，那是因为SCiB电池还未出现。

好了，根据这段时间的讨论最后总结以下：

1） F3DM 用的是磷酸铁钴锂电池，共100块串联，每块3.3V，45Ah。电池容量14.75度，纯电动模式下理论上能跑100公里。整备质量在1530千克。主电动机50kw，发电机兼职辅电动机25kw，另有启动机启动汽油机并连接到独立的蓄电池。汽油机是1.0升的，最高功率50kw，能通过发电机发电给电池充电。发动机轴和电机轴有机械直连并由离合器控制，电机轴和动力轴有机械直连并由离合器控制。各个离合器的开关由电脑控制。低速时（0到60～80公里）由电动机驱动，这相当于普通汽车的1到4档。高速时可用汽油机直接驱动，也可由主电动机驱动单独驱动（纯电动模式），或者两者同时驱动（此时最大功率为100kw），这就相当于普通汽车的5档了。理论上车子最高功率为125kw。纯电动模式下当电量低于20％时汽油机启动，混合模式下当电量低于50％时汽油机启动。基本就是这个情况。

2） 丰田的Prius 用的是镍氢电池，共28块模块。电池容量1.5度。纯电动模式下理论上能跑10公里。电池是经过特殊处理的：消除了记忆性，增加了安全性，延长了循环寿命（新一代Prius 是插电式，其电池改用锂电池，电池能量9度）。整备质量在1345千克。汽车还包括一个同轴的4缸1.5升发动机，两个永久磁铁500-V交流马达发生器，一个带行星齿轮系统的智能混合动力驱动桥和一个复杂的发动机控制部件。用电池动力发动，然后在速度超过20mph（32 km/h）时，转换到汽油发动机。行星齿轮方案使汽油机在全车速范围内与驱动轴都有机械直连。

3） 通用的Volt在理论上在三款车中是最先进的。由上百块锂电池组成的电池组可以储备16kwh的电能。在电池电量从80%降至30%的过程中，电动机可以驱动Volt行驶40英里（64km）。之后4缸1.3升发动机启动给电池充电。此发电机可烧汽油，酒精和生物柴油。并且未来还可用“fuel cell” 代替发动机。由电池给轮毂电机系统提供能量来驱动车轮。通用预计Volt的单次续航可能超过1000公里，其后通过家用120V或240V接口，Volt的电池组可在8或3个小时内完成重新充电。

F3DM和Prius都已上市，Volt的性能只能听通用的介绍。看似Volt很先进，但我感觉其中问题很大，其量产可能要推后。我的理由是1. 据说通用不想用A123公司的锂电池了，太贵。要知道换动力电池可不简单，这需要大量的时间去测试电池性能，就一个10万公里测试就要够折腾。2. 轮毂电机技术到目前全世界都没有实用化，更多的是实验性质的。我看了比亚迪的纯电动车E6的技术指标，它就没有用轮毂电机技术，这说明比亚迪还知道自己有几斤几两。3. 就是目前通用的财政状况，这就不多说了。最后要扁一下比亚迪的宣传：你F3DM的14.75度电你说能跑100公里，别人Volt的16度电只宣称能跑64公里。这总得说明一下吧，比如你的电池充放电区间比别人大，达到0－100％什么的。

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积君，hansens，看了你们的帖子，学习到很多。混合车是个很好的题目，帮助顶一下。

下面的讨论分成这样几步：首先看现在小车发动机的负荷状况；其次讨论F3DM的理论性能；第三是混合车的意义。最后一段我有一个关于电池的问题，希望有了解的同学给予答复。好几年了，一直没有找到答案。

1. 轿车发动机负荷

现在比较常见的2升自然进气汽油发动机的功率大致在100千瓦。在北美，这样的发动机算是中等偏小的发动机了。那么，布加迪‘黑血’的功率有700多千瓦（1000马力），和小一点的主战坦克差不多。面对这些莫名其妙的数字，人民在呐喊：“一个破车到底需要多大动力？”。我以手边的一型车及其2升发动机为例看一下。大家可以假设这是一辆本田雅阁（Accord）配2升发动机（老版雅阁有配2升发动机的）。

SAE的期刊上面比较常见的发动机在市区和高速状态下的负荷分别是：2000rpm，2Bar和3000rpm，5～6Bar。这里，Bar是一个平均有效压力，相当于扭矩除以排量，再乘以一个常数。一般自然进气的汽油机可以做到升扭矩100牛顿×米，对应的有效压力是13Bar。我手边的这型发动机在2000rpm，2Bar时，油耗大概是400（BSFC，单位是克/千瓦时，就是每输出一千瓦时的有效轴功，要消耗多少克的燃油）不到一点。在3000rpm，5～6Bar的时候，油耗大概是BSFC＝280的样子。最低油耗可以做到BSFC＝240，如果负荷在8～10Bar以上（和转速有关），那油耗大致是BSFC<=250。这些数据在现代汽油机中都差不多，定性分析就足够了。来看高速，3000rpm，5～6Bar，这个时候发动机的有效轴功率是20～25千瓦。可以校核一下，20～25千瓦，BSFC＝280，汽油密度0.8（好像比这个要低一点），那每小时（假设120公里/小时）油耗在7～8.7升。对应百公里油耗是6、7升的样子，对于雅阁这样的车来说，差不多。市区油耗就不能这样算了，要是这么算，油耗也是百公里6、7升。实际上，市区里很多油耗是踩刹车给踩掉了。下面有一个简单的表格，方便查看：

时速（km/hr） 转速 负荷（全负荷） 油耗（BSFC） 输出功率（kw）

市区 60 2000 2（13） 400 6～7

高速 120 3000 5（13） 280 20～25

上面这个表格是所谓巡航状态（速度不变）。我们看到这个时候发动机的负荷率是比较低的，而且这是以2升发动机的雅阁为假想对象，实际上现在一般的配置要比这个配置高，那么负荷率只有更低一点（不严格的表述：特征油耗随负荷率上升而下降）。所以现在知道那些多出来的扭矩（储备扭矩）是提供加速的（俗称推背感）；那些多出来的转速（储备功率）是提供更高的巡航速度的。

2. F3DM的理论性能

2.1 机械传动

我个人倾向于认为F3DM的发动机到驱动轮有直接机械传动。估算：在该车最高车速160km/hr时，发动机在6000rpm（常见自然进气汽油机的标定转速），那么对应40km/hr和60km/hr的车速，转速在1500rpm和2000rpm，所以如果在这样一个时速或者转速范围内机械直连接通，大致还是合理的。结合这个链接（BYD F3DM双模电动车试驾报告 【转载】），说发动机的噪音偏大，在80km/hr时如果就有3000rpm，噪音当然会大点。如果真的是在40km/hr，1500rpm时接通机械直连，回头去看上面的发动机的负荷表格，就可以看到这个时候即使是1升的小发动机（负荷翻番就好），也是行有余力，还可以给电池充电。或许在60km/hr时接通会更好？我觉得F3DM到底在什么速度下接通机械直连，无所谓。因为低速时，电机功率就足够。

2.2 加速性

从本质上说，内燃机是一个衡扭矩动力；直流电机是一个衡功率动力。而我们真正希望得到的是一个衡功率动力。给内燃机配上变速器无非是使动力系统的总体特性接近衡功率动力而已。现在看F3DM可能达到的动力性。在低速时，假设只有电机工作，两个电机的功率和是75kw。如果是2升的自然进气内燃机，大概在6000rpm左右有标定功率（最大功率），一般是100kw的样子，3000rpm的时候大概也就是50kw多点，75kw绝对不行。按照我们一般的开车习惯，80km/hr以下不太可能把发动机踩过3000rpm。所以，在低速时F3DM的潜在动力要比一个2升发动机强，至于能不能作出来是它控制的事情。高速以120km/hr为例。如果F3DM的发动机和驱动轮有直连，这个速度下肯定不是发动机最高转速，估计在4500rpm，发动机功率也就是30多kw。如果加上电机，就可以到100kw以上了。如果是2升内燃机，除非降挡，把发动机提到5000～6000rpm，否则也就是3000～4000rpm的转速，对应的功率80kw都到不了。所以，我觉得F3DM的动力性可能比一个2升机要好，至少在硬件上有这个可能，到底如何，要看它的控制。

2.3 纯电池模式的行程

现在看到说充满电可以跑100km，但是还有没有其它前提？还是前面那个试车的链接（BYD F3DM双模电动车试驾报告 【转载】），看到在不同模式下发动机启动的时机是不同的，有没有可能这个100km是在油箱完全没有油，50km/hr的时速，没有任何中途停车的情况下跑出来的？我个人暂时愿意假设在市区路况，充满电时，F3DM可以跑30km以上（50％电量是启动发动机）。

对于电池有个需要补充的小内容，就是使用窗口。我有同学在作类似的事情，告诉我说，现在比较常见的，在行驶中对电池充放电的原则是使用一个容量窗口，很小，比如容量的50～60％。低于下限充电，高于上限放电。目的就是为了保持电池的寿命。这是在行驶中，如果是外接充电，充满是可以的。

2.4 我对F3DM的态度

这个车到底行不行，不敢瞎说，但是中国厂商没有人作这件事，那是绝对不行的。所以我对F3DM持谨慎乐观的态度，对比亚迪的电动车投入，完全支持。

至于说王传福在吹牛，那个无所谓。举个发动机性能的例子。首先，行规是3～5％，就是说示功台上跑出来的功率也好，扭矩也好，被厂商加3％是正常的；第二，一些细节，比如发动机厂商用的滑油肯定不是我们常用的最便宜的滑油，有的厂商甚至在示功台上不带水泵；第三，增压机换工作条件，比如中冷用水冷，而且是自来水。总之，我们看到的发动机参数大概有个数就行，不必太过当真。‘十个商人九个奸，还有一个卖大烟’，对于王传福有没有吹牛，我觉得无所谓。最后市场会说话。

3. 混合动力车的意义

3.1 降低石油消耗

假设是F3DM，一次充电可以跑30km。使用模式是每天夜间充电，白天正常使用，不进行充电。如果是高速使用，从前面第一部分的表格中看到，有可能把发动机油耗从BSFC ＝280降到BSFC ＝250，这个可以省油10％。如果是市区使用，每天行驶里程的前30km原则上可以不消耗石油。如果发动机启动之后呢？首先，发动机的有效负荷可以明显提高（发动机小了，而且可以高负荷充电，然后停机），这样油耗可能可以从BSFC＝400降到BSFC<300，降低25％；第二，制动能量多少可以回收一点；第三，停车状态发动机不用空转。所以，在跑完头30km之后，市区油耗还是可以降低30％。

从上面可以看到，降低燃油消耗在长途、高速上不明显，说明长途客运走美国式的私车模式可能不好，发展长途公共交通比较合理。如果在市区行驶，关键就是个人平均活动半径。但是即使是北京，只要不是天天往返于海淀和通县，每天的行驶里程50、60km估计也就打住。燃油降低50％（不是能量降低50％）并不完全是神话。这就意味着在现在原油进口量的基础上，私车容量有翻番的潜力。

充电当然要考虑对电网的影响。估算：如果全国1亿辆小车，平均每天充电5千瓦时（F3DM的电池容量是14.85千瓦时），所有充电集中在4小时内完成（比如凌晨1点到5点什么的），需要的总平均功率是1.25亿千瓦（没有考虑输变电损失）。对比2007年总装机容量7亿千瓦多，就占了将近20％。今后小车1亿辆肯定打不住，所以如果真的能够实行夜间低谷充电，对电网的负荷调节非常有好处。至于电源，我觉得无所谓。有洪峰的时候就多用水电，其它时候用核电（看到最新的核电计划装机容量，到2020年是7000万千瓦，都未必够），烧煤也无所谓，反正比石油安全。而且，给我们的儿子、女儿留点油也算积德。

3.2 好的过渡平台

或许40年，或许400年，如果按照现在这个用法，反正石油是肯定用完。最终是使用纯电动车还是燃料电池统统无所谓，但是车辆动力系统以电为主的可能性非常大。那么现在如果使用混合动力车，把相关的控制、成本先搞搞清楚，回头无论是切换到纯电还是燃料电池，障碍都会小很多。尤其是混合动力还是需要内燃机，总的看，对现在的产业结构冲击也小。我也不会失业。

3.3 政府可以作的工作

政府有没有可以作的工作？有的。最重要的就是充电规范：220V单相还是380V三相；是否充电器自身需要提供直流输出；最大许用功率；夜间低谷时间的定义和收费；收费模式；充电器外部尺寸；如何避免电网瞬间加载（大量车辆在同一时间开始充电）。所有这些问题都没有任何技术上的困难，但是必须规范化，而且电网的低压部分可能需要扩容，增加相应的端口。只有政府出面这些事情才能搞定，只要规范有了，大家都这么玩，混合动力车才不会盲目地镶嵌到国家的动力体系中。

最后，我有个问题，关于飞轮电池的。飞轮电池好像10年前就听到，理论上好像避免了相当多的化学电池的问题。为什么到现在没有看到汽车业使用？一直没有搞明白。

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这篇“再续”有些扯淡的味道。我有一个发小现在自己开公司出口化工产品。哥们以前在一家化学研究院工作，27，8岁那会儿就已经是高级工程师了。他具体干什么的呢，是研究化肥用催化剂的。据说他的催化剂达到了国际先进水平而且价格低廉，为此还获各种奖项和称号其中包括什么省十大杰出青年（不是广东省黄飞鸿的那种）。想当时我还在外面混世界呢，我妈为此把我骂得不轻，逼着我厚着脸皮向他取经。呵呵，人家怎么说：关键是跟对老板，其余工作就是像炒菜一样的试不同的配方而已。我知道这是他自谦和照顾我面子的说法，但细细想来他说的是很有道理的。一个好老板不仅给你的仕途和职称以极大的帮助，而且能指导你的研究方向。不是说假东西骗不了内行吗。这是因为同行之间了解的知识都差不多，成功与不成功只差一张纸的距离。但是捅破这张纸有人要花几年甚至一辈子都不成，有人却因某人的一句话而成。所以沃维汉、郭万钧以间谍罪处死是罪有应得的。接下来的事就很简单，只要你有天份和毅力你一定能成功。

罗嗦这么多咱们回到正题上来。这电池的研究与催化剂的研究何其相似－都是在选择好“方向或方案”后不断的实验各种不同的配方。只要“方向或方案”正确加上充足的人力和财力就是不成功也难。那什么是动力电池的正确“方向或方案”呢？汽车动力电池难在“高安全要求”，“低成本要求”、“高容量要求”及“长寿命要求”等四个要求上，其中“高安全要求”是首要的。动力电池的发展方向在镍氢电池和锂离子电池上。锂离子电池各方面的性能又比镍氢离子好很多，而且两者价格却相差不大。所以电动汽车的电池接下来必然是以锂离子为主。目前以日产、丰田为代表的多数厂商都选择了锂电池，并展开技术联盟。美国政府也投资国家锂离子动力电池制造联盟外链出处 锂离子电池又有很多种，如正极材料是钴酸锂，锰酸锂，磷酸铁锂以及它们的混合物的锂离子电池，其中磷酸铁锂的安全性最好，循环寿命最长，但其主要缺点是理论容量不高只有170 mAh/g（钴酸锂是274mAh/g），室温电导率低。再者其成本过高，目前是15.4－18.3万￥/吨。虽然有人在不同的应用领域（如丰田的Prius）可能会选择别的电池材料，但无疑磷酸铁锂是动力电池的正确方向。剩下的是如何降低成本和增加电导率了，这就是人力和财力的问题。中国在人力方面优势多多，但在财力方面远远不及日美。现在日美都各自联合起来集体攻关，而中国还是各自为政，我为此很是担忧。

不爱吱声河友在“简单聊聊我所了解的美国汽车充电电池研究的问题”链接出处 中提到美国动力电池研究的最大问题是成本，比亚迪3万人民币成本的电池美国需要1.5万美刀，相差3.5倍。双方都还有降低成本的能力，所以比亚迪在成本方面优势还是比较大的。但不可掉以轻心，毕竟从1.5万美刀降低成本比从3万人民币降低成本来得更容易。日本方面的技术不会有问题，但成本问题可能比美国还严重。增加电导率方面比亚迪做的很突出，其快速充电技术能十分钟冲满70％（实验室内）。这方面日美估计很快会赶上来的。比亚迪另外一个优势是F3DM也已上市，有2－3年的时间测试改进其电池产品。但他的劣势也很明显：单打独斗没有雄厚的财力支持，还有就是没有汽车整体技术的长期积累。如果不改变其现状由国家牵头联合研究，它的领先优势将在3，5年内消失。（待续）

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