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于斌：高性能工程塑料為汽車電動化“保駕護航”





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(fā)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：













汽車電動化的不可逆性

“在各個國家和地區(qū)分別提出碳中和愿景的大背景下，我們看整個汽車行業(yè)的發(fā)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)，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。”于斌開門見山。

相對于傳統(tǒng)燃油車中，電氣系統(tǒng)（48V內的弱電）主要用于信號的傳輸，發(fā)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(fā)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(zhàn)也完全不同于傳統(tǒng)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(fā)更可靠，更優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)存在極大的電池重量、續(xù)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(yè)。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(qū)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(tǒng)作對比：鋰電系統(tǒng)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(tǒng)的整體重量會輕很多，如配置雙電堆和雙電機的系統(tǒng)，總重量大約在1.5噸左右，這是燃料電池的重量優(yōu)勢。另外一個優(yōu)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(tǒng)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(yōu)勢。

與純電池技術相比，燃料電池具有以下優(yōu)勢：氫氣加注時間和續(xù)航里程與內燃機相當（在一定輸入功率下，燃料電池的續(xù)航能力是柴油或汽油發(fā)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(tǒng)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(yè)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(tǒng)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(yè)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(huán)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(qū)別于其他材料公司一個重要的特點是：在材料開發(fā)的過程中，帝斯曼的出發(fā)點是深入研究整個系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(fā)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(fā)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(fā)了全系列的材料，這些材料具有業(yè)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(tǒng)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(huán)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。“這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(yè)內是領先的。”

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