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    于斌:高性能工程塑料為汽車電動化“保駕護航”

    2021/04/19 16:40 作者: 信息來源:蓋世汽車

      2021 Chinaplas期間,帝斯曼工程材料推出了“探索之旅”線上虛擬展臺。其中汽車(包括一般汽車應用市場和新能源汽車)占比極大,凸顯了帝斯曼在該領域的雄心。帝斯曼工程材料全球高級工程開發經理于斌,接受媒體專訪,與大家分享了改進工程塑料如何助力汽車電氣化,以下是專訪的精彩內容:

    電池,燃料電池

      汽車電動化的不可逆性

      “在各個國家和地區分別提出碳中和愿景的大背景下,我們看整個汽車行業的發展,并聚焦中國,2030年中國禁止純燃油車銷售,電動化是一個不可逆的趨勢。相對于傳統燃油車,汽車電氣化的各種形式和深度,無論是混動、插電混動、純電還是燃料電池,都離不開高壓電池包,高壓控制系統,逆變器,DC-DC轉化器,電機等重要的功能性部件。帝斯曼專注于汽車的三電系統和燃料電池系統,所提供的PBT、PA66、PPS、PPA-ForTii?等材料,在目前主流主機廠,如大眾、通用、特斯拉、小鵬、蔚來、理想、比亞迪、上汽、廣汽、北汽、長城等品牌上都有應用?!庇诒箝_門見山。

      相對于傳統燃油車中,電氣系統(48V內的弱電)主要用于信號的傳輸,發動機啟停,整車的控制等;而在電氣化的過程中,對電的使用方式發生了改變,需要使用電能去驅動整個車輛,并且隨著電壓(數百伏特)和電流(數百安培)的升高,對工程塑料的要求和挑戰也完全不同于傳統燃油車。帝斯曼在汽車電氣化中,針對性地研究了材料的電氣絕緣性能在車輛不同工況下的變化,給設計工程師們提供了很好的工程數據,以便開發更可靠,更優異的電動車。在高溫老化后,材料在不同工況下的電絕緣性,表面抗起弧性(CTI),以及塑料與金屬復合注塑中機械老化及開裂,帝斯曼都有很深入的研究,并可以提供全套的解決方案。

      在電動化的路徑中,大致有兩大類,一是依靠鋰離子電池(如三元鋰電,磷酸鐵鋰等)驅動;二是依靠燃料電池(氫燃料電池或甲醇重整燃料電池)驅動。如對比純電車和燃料電池車,純電車的電機效率在95%以上,其他損失大約20%,因此鋰電驅動效率大約為75%。而燃料電池車效率只有約55%,純電車的能量轉化效率比燃料電池高,但是為什么燃料電池車輛目前受到如此多的關注?

      燃料電池系統的必要性

      目前的燃料電池技術路線有很多種,最受關注的大致有“兩種”,一是氫燃料電池;二是甲醇重整燃料電池。

      在重載運輸中,純電池驅動系統存在極大的電池重量、續航里程和超長的充電時間等明顯缺點。隨著容量的增加,電池重量也明顯增加,導致每公斤貨物的運輸成本升高,使得純電池技術不太適合商務運輸業。與其在車輛中裝載沉重的電池,不如利用燃料電池直接在車上產生所需能量。制造鋰電池的關鍵原材料鋰及鈷,有很大的產地集中性,極可能受到地緣政治的影響,但氫氣可實現區域內生產,現有加油站也很容易改造成燃料電池的加氫站。

      在大型商用車、重卡、遠洋貨輪等領域的電動化過程中,將三元鋰電、磷酸鐵鋰或其他電池形式與燃料電池系統作對比:鋰電系統能量密度平均在160到240wh/kg,8級重卡跑600公里,需要裝載1200到1300千瓦時的電池,如此大的電池包,其重量平均值為7~7.5噸;而燃料電池系統的整體重量會輕很多,如配置雙電堆和雙電機的系統,總重量大約在1.5噸左右,這是燃料電池的重量優勢。另外一個優勢,重卡電池包體積和電量都很大,即使在雙槍快充(250KW以上)的模式下,也需要數小時才能充滿,對于重載運輸,充電時間是個很大的問題。而燃料電池加氫時間,和傳統柴油車差不多,十分鐘左右可以完成。這是燃料電池的時間成本優勢。

      與純電池技術相比,燃料電池具有以下優勢:氫氣加注時間和續航里程與內燃機相當(在一定輸入功率下,燃料電池的續航能力是柴油或汽油發動機的2.3倍),沒有沉重的額外電池負荷,性能表現受天氣影響極小。除此之外,水是氫燃料電池系統的唯一副產物,對碳中和社會的構建有積極意義。氫能是一個理論上可以實現全產業鏈綠色的能源形式,所以目前國家對燃料電池車越來越重視,中石化、中石油等傳統燃油巨頭,以及各大重載運輸車輛生產商,也是基于這個原因,大力推動燃料電池產業化。

      質子交換膜燃料電池(PEMFC)受到歡迎

      在燃料電池技術中,質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 越來越受歡迎。它在效率和排放之間取得了良好的平衡:工作溫度低、啟動時間短,并且可使用純氫作為燃料和普通環境空氣作為氧化劑。

      回到材料本身,大部分的燃料電池著重在氫燃料電池。于斌表示,帝斯曼區別于其他材料公司一個重要的特點是:在材料開發的過程中,帝斯曼的出發點是深入研究整個系統的機理、工況、運行模式,以及在制造和生產中的問題,并從這些深入的研究中,抽取出材料上需要做什么改進,以最大程度上保證系統的長期壽命和效率。概括性來說,燃料電池大部分在70~90攝氏度工況工作,100%濕度、弱酸性環境,對材料的長期水解,離子析出率有很高的要求。另外,對材料純凈度的定義并不是在空氣中,而是考量在燃料電池工況中,材料是否會有其他物質析出;商用車、重卡,工作時長15,000小時起,對材料長期工況下的抗水解性、老化后疲勞性、耐蠕變性,材料的純凈度,是否會析出離子,什么樣的離子,離子對催化劑、對氣體擴散層、對質子交換膜有什么樣的影響,帝斯曼都有全工況測試數據和計算模型,這些數據和模型可以幫助客戶縮短產品開發周期,并且做到“一次就對”!

      從可靠性角度,特別是在抗離子浸出、耐水解以及相應的長期機械性能方面,目前所使用的材料仍多有不足,而其中一種解決方法是開發專門的PPS化合物,以生產高效可靠的電池。帝斯曼專門針對燃料電池的特點,開發了全系列的材料,這些材料具有業內最低的離子析出率,最高的耐水解性和長期水解后的抗蠕變性,遠遠高于PPA、PA66等工程塑料。

      最后,于斌指出,傳統燃油車,電的使用方式是信號控制和傳輸;而電動車,電是驅動,是高壓電,它不僅涉及動力問題,更涉及到安全問題。材料在工況下,老化機理、電熱老化機理、機械性能、疲勞性能、在有離子的污染環境下耐電弧起痕能力,所有性能測試研究都要基于實際工況。我們研究所有的實際工況,分析材料在高溫工況下,不同媒介下,電氣老化、熱老化性能的機理。我們去理解客戶的應用要求到底是什么,轉化為材料的語言,通過我們很多深入的研究數據,最后轉化到我們的材料配方?!斑@些研究和材料上的突破,對于電動車領域理解的深度,帝斯曼在行業內是領先的?!?



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