为什么磷酸铁锂电池比三元锂电池在低温下能量衰减更快？有什么办法可以解决这一问题吗？

几个月前在网上看见了这篇德国人于去年编写的交通电气化路径建议。笔者自己的工作领域基本还是聚焦乘用车，对商用车一直是跟着看看但是一直没有深入。花了一些时间把这篇报告读完后，觉得很有收获，特此把里面看到的一些核心内容分享给大家。 报告封面如下，中文名就是本文标题，德文名为：Werkstattbericht Antriebswechsel Nutzfahrzeuge, Wege zur Dekarbonisierung Schwerer LKW mit Fokus der Elektrifizierung，可以在外网上直接搜到。 背景：商用车碳排贡献相当大，排放非均匀性带来问题解决的复杂性 首先，作者指出：商用车在整个交通领域中的碳排放占了1/3，减排压力非常大。下图给出了德国在过去十余年中的货运交通方面的碳排放值：2020年为160 Mio. 吨CO2，2019年是163 Mio. 吨，然后他们制定了2030年气候保护目标(Klimaschutzprogramms2030, 也叫KSPr 2030)，该目标为95 Mio. 吨，相当于2005年的59.4%，目标不可谓不艰巨。 所以：为了达成2030KSPr目标，需要把货运领域交通的1/3实现电气化/使用以电得到的燃料。 德国在过去十余年中的货运交通方面的碳排放值以及未来2030的减排目标 然后更进一步的看商用车的碳排放分布，会发现一个明显的Heterogeneity 不均匀问题：在商用车里面，<3.5吨的轻载车（实际上车的尺寸等参数和乘用车比较接近了）占的CO2排放其实并不大，如下图所示，基本只有>3.5吨的重载车的近1/4 (10 vs 38)。CO2排放量：灰色为<3.5吨的轻载商用车，蓝的为>3.5吨的重载商用车 而实际上这些轻载车按保有量数量计算的话，占据的是明显大多数（见下图）。第一行是保有量，可见轻载车占70%，但是如果看第二行总行驶里程（Gesamtfahrleistung），就能看见越轻载的车占比相应缩小，越重载的占比增加。而到了第三行总CO2排放当量，可见越重载的车占比越大，光最重载>40吨的卡车就占了近一半的排放，轻载车那么多的保有量占比带来的CO2排放占比只是比较小的一部分了。 究其原因：重载车天生就主要用于跑更为长途的路段，加上其自重大，能耗大，因此CO2排放相比于其保有量就会不成比例的高；而轻载商用车更多用于短途区域间的配送，能耗和里程都会偏低。这也给了我们一个启示：考虑到车种+服务种类的多样性，商用车的电气/减碳工作可能要比乘用车更复杂，需要更加细致的分析研究，来制定相对应的解决方案。德国2016年的不同重量商用车的保有量（行一），总行驶里程（行二）和总CO2排放当量（行三） 主要电气化研发方向：纯电，燃料电池和接触网-混动，与接下来的技术路线图 为了达成KSPr2030的目标，考虑到商用车领域排放的复杂性，该报告认为，应该在接下来的时间内，同时研发以下三条技术路线： • Batterieelektrische Antriebe (BEV-Lkw) 纯电动货车• Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie (H2-BZ-Lkw) 燃料电池货车• Oberleitungs-Hybride (OH-Lkw) 接触网-混动货车 下图给出了这三种技术的路线图，点评几个关键点：一个技术要使用，能量供应技术（比如充氢，充电）是要配合整车技术，作为配套基建来支持发展的。在图中，浅蓝-深蓝是能量供应的研发测试-工业化，浅绿和深绿是车辆的研发测试-工业化。然后对于这几大技术路线，可以看出，大多数都是先做浅的（从技术研发和测试开始），然后随着技术的不断成熟，就可以进入深色的工业化阶段了。另外，在24-26年间，报告定义了“路径决定时间窗口”（灰色），也就是说到这个时候，就可以从各种技术同步发展（看看谁行），逐渐开始把资源优先倾斜给某些更有前景的方向了。 然后从具体每一个技术看：纯电近途这个几乎已经没有什么争议了，所以一上来就是深色的——配套基建，放量推广就行。目前阶段可以先从350kW充电网开始做。纯电远途这个在近期需要研发满足400km续航的技术，并开展标准化工作（各种配套充电设备（包括接触网标准化，法规），以及研发更高功率的充电网。氢燃料目前还是只能做一下小批量推广——验证车辆和供能网络技术，研发不可以松懈，标准化还要进一步开展，只有这些工作的成果在24-26年的窗口看起来都比较乐观，才能帮我们此时决定，来继续往下做量产推广。以及大家可以注意：氢燃料转入深色的时间在所有技术里是最晚的。接触网混动这个比较好玩，感觉就是头上顶着电线（有轨电车），但是其又明确定义了具有Hybrid的属性。所以它就是一个永远插着电线的混动车，那早期要干的，一个就是充电接触线的配套基建（300km服务范围/间距）——以保证其可以在目前已经有的一些试验路段能开展更多实际的物流工作，并且结合不同的混动动力总成配合（柴油混，电池混，LNG混,燃料电池混等等）进行研究，看哪个更好。之后再看技术如何，再研究决定如何进入工业化放量阶段。 基于温室气体(THG)的去除成本(Vermeidungskosten)的三种技术目前状态的成本分析 技术路线好不好用，综合的经济账自然是重要的考虑指标和分析方法，而且国家的政策工具（比如税收，CO2收费，电价等）都会对技术路线的决定产生重要影响。在这里，我试着把本报告分析得到的主要结论与大家分享。 首先是CO2/温室气体的去除成本的计算，其实如下图所示：就是分母是减少的碳排放量，分子是相比于柴油车贵的成本——算出来就是为了减少单位CO2排放要付出的额外成本。那么基于目前的前提设定，计算出了2030年时三种技术路线的CO2去除成本。可见明显氢燃料电池目前的状态（1164）相对于纯电（443）和接触网混动（441）还是太贵了，而通过技术的进步等可以进一步明显降低该成本值。下图给出了基于2020年的>20吨的商用车的成本拆解图。每个技术路线都是有7行，分别是：能源基建的运行成本能源基建的年化成本（把购置投资分摊，考虑利息等因素的加权）AdBlue 成本（不知道是啥，应该是柴油环保另收的什么费吧）能源成本保险成本等待与维护成本车辆的年化成本（把购置投资分摊，考虑利息等因素的加权）其实这么一看，其实核心结论特别明显：燃料电池的能源基建和车辆的年化成本在目前的技术水平上看来仍然是高的吓人……接触网和纯电就是各有千秋，基于目前的技术来说可行性要更强。所以燃料电池研发和工业化要做的事还有更多呐。 总拥有成本(TotalCost of Ownership TCO)的研究，看国家的政策工具如何影响 国家可以通过一揽子的政策工具，影响不同技术路线的TCO总拥有成本，从而影响技术和产业发展的方向，工具包括但不限于： 年化的购置成本 AnnuitätAnschafungspreis保险费 Versicherungskosten车辆税 Kraftfahrzeug(Kfz)-Steuer能源成本（有EEG分摊）Energiekosten能源税以及电力税Energiesteuer und StromsteuerAdblue（对柴油和接触网混动适用）AdBlue®Kosten等待维修成本 Wartungs-und Reparaturkosten故障时带来的成本 Kostenfür AusfalltageMaut-即CO2-货车养路费 接下来研究给出了2030年时对于40吨车的三个技术路线相比于柴油车的成本拆解情况对比，一共有三个情景： 车辆无成本下降，无国家政策工具。可见都比柴油贵。 车辆有成本下降，无国家政策工具。可见纯电和接触网技术初步有了经济性车辆有成本下降+有国家政策工具（具体的政策工具在P25页框图表中，这里不放了）。可以看出，国家如果采用一揽子政策工具措施，可以明显影响各技术路线的经济性，以加速新技术的渗透推广。 对于重载交通领域的减碳的进一步的工作方法&建议 不管怎么样，纯电仍然是至少近期应用前景最为明确的技术，然而如之前的分析所述：近途+轻载的商用车的纯电化几乎已经没有争议，但是长途+重载领域却是一个大 麻烦：其车辆在保有量中占比少，碳排却很多，而在接下来的第一个五年里，基本只有很少的一部分>26吨的车能电气化——因为三个技术路线以近期的技术能力谁也无法在近期有效解决这个问题。 所以本报告还专门给了针对这个问题的解决建议，主要有：1）对于以及拖车TRAILERN以及卡车的配置元件方面进行优化新登记准入车辆的数量和重量的准入标准（考虑基建等因素）数字互联的车辆和拖车电轴/驱动：说什么动能回收，基于目前以及的传统动力的改造空气动力学什么成熟度压力（这个没懂 ，略过）最高允许速度：需要全欧的法规协调确立。也没明白是不是要把最高限速降低能更好的减排，还是提高。 2）支持资助结合交通KV， 按我的理解就是优化组合不同交通进行高效衔接，优化整体布局，从物流运筹学上进行组合优化使整体碳排最低，比如能用轨道交通时就用轨道之类的。 3）使用气体燃料（比如天然气）用于内燃机在用气方面，不仅有化石来源，还可以开发生物和电催化固碳合成的甲烷，而且还可以进一步的直接烧氢。但是目前使用这个的争论分歧仍然比较大：单纯算天然气VS柴油可以很快的明显减排没问题，也有人说这玩意破坏臭氧（甲烷），3.5%的CH4损失对环境造成的影响可以抵消掉100%的CO2减排效果，想要把损失避免去做一些额外措施的话，估计就要比电池贵多了。使用可再生气，一样还要对付有害产物比如NO。短时和中时间来看，还得为气罐进行基建扩，与长期希望的碳中和愿景背道而驰。所以技术方面还有争议，还要再看怎么发展。 结语 笔者的工作一直聚焦于乘用车动力电池，看完这篇报告后感觉学到了很多东西：商用车的技术、应用场景、服务需求比乘用车似乎更为丰富，但这也相对应的给技术发展带来了更多的要求。 在三条技术路线（纯电，氢燃料，接触网混动）上，德国人的建议仍然是要一起发展——因为目前没有哪条路线在各方面都已经拥有了绝对优势。但是从中长期看：早晚是要在时间窗口决定向哪条技术路线投入更多资源，以更有效的把投资转化为长期的技术经济性的。所以呢：必须持续评定权衡更高的经济负担（都开发）VS达不成目标（但是更省钱）两种情景。 此外，国家可以使用的一揽子经济政策工具可以有效的改变不同技术路线的性价比，因此审慎的制定政策对于国家技术路线的发展的意义非常重大。 抛砖引玉，供各位参考思考。来源：弗雷刘