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于斌：高性能工程塑料為汽車電動(dòng)化“保駕護(hù)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(tái)。其中汽車（包括一般汽車應(yīng)用市場(chǎng)和新能源汽車）占比極大，凸顯了帝斯曼在該領(lǐng)域的雄心。帝斯曼工程材料全球高級(jí)工程開(kāi)發(fā)經(jīng)理于斌，接受媒體專訪，與大家分享了改進(jìn)工程塑料如何助力汽車電氣化，以下是專訪的精彩內(nèi)容：













汽車電動(dòng)化的不可逆性

“在各個(gè)國(guó)家和地區(qū)分別提出碳中和愿景的大背景下，我們看整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展，并聚焦中國(guó)，2030年中國(guó)禁止純?nèi)加蛙囦N售，電動(dòng)化是一個(gè)不可逆的趨勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車，汽車電氣化的各種形式和深度，無(wú)論是混動(dòng)、插電混動(dòng)、純電還是燃料電池，都離不開(kāi)高壓電池包，高壓控制系統(tǒng)，逆變器，DC-DC轉(zhuǎn)化器，電機(jī)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(jī)廠，如大眾、通用、特斯拉、小鵬、蔚來(lái)、理想、比亞迪、上汽、廣汽、北汽、長(zhǎng)城等品牌上都有應(yīng)用?！庇诒箝_(kāi)門見(jiàn)山。

相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車中，電氣系統(tǒng)（48V內(nèi)的弱電）主要用于信號(hào)的傳輸，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停，整車的控制等；而在電氣化的過(guò)程中，對(duì)電的使用方式發(fā)生了改變，需要使用電能去驅(qū)動(dòng)整個(gè)車輛，并且隨著電壓（數(shù)百伏特）和電流（數(shù)百安培）的升高，對(duì)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(duì)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(shè)計(jì)工程師們提供了很好的工程數(shù)據(jù)，以便開(kāi)發(fā)更可靠，更優(yōu)異的電動(dòng)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?gòu)?fù)合注塑中機(jī)械老化及開(kāi)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(dòng)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(qū)動(dòng)；二是依靠燃料電池（氫燃料電池或甲醇重整燃料電池）驅(qū)動(dòng)。如對(duì)比純電車和燃料電池車，純電車的電機(jī)效率在95%以上，其他損失大約20%，因此鋰電驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)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(guān)注？




燃料電池系統(tǒng)的必要性

目前的燃料電池技術(shù)路線有很多種，最受關(guān)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(yùn)輸中，純電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在極大的電池重量、續(xù)航里程和超長(zhǎng)的充電時(shí)間等明顯缺點(diǎn)。隨著容量的增加，電池重量也明顯增加，導(dǎo)致每公斤貨物的運(yùn)輸成本升高，使得純電池技術(shù)不太適合商務(wù)運(yùn)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(chǎn)生所需能量。制造鋰電池的關(guān)鍵原材料鋰及鈷，有很大的產(chǎn)地集中性，極可能受到地緣政治的影響，但氫氣可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)，現(xiàn)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(yuǎn)洋貨輪等領(lǐng)域的電動(dòng)化過(guò)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(duì)比：鋰電系統(tǒng)能量密度平均在160到240wh/kg，8級(jí)重卡跑600公里，需要裝載1200到1300千瓦時(shí)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(huì)輕很多，如配置雙電堆和雙電機(jī)的系統(tǒng)，總重量大約在1.5噸左右，這是燃料電池的重量?jī)?yōu)勢(shì)。另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)，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(shù)小時(shí)才能充滿，對(duì)于重載運(yùn)輸，充電時(shí)間是個(gè)很大的問(wèn)題。而燃料電池加氫時(shí)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(shí)間成本優(yōu)勢(shì)。

與純電池技術(shù)相比，燃料電池具有以下優(yōu)勢(shì)：氫氣加注時(shí)間和續(xù)航里程與內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)（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(dòng)機(jī)的2.3倍），沒(méi)有沉重的額外電池負(fù)荷，性能表現(xiàn)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(chǎn)物，對(duì)碳中和社會(huì)的構(gòu)建有積極意義。氫能是一個(gè)理論上可以實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈綠色的能源形式，所以目前國(guó)家對(duì)燃料電池車越來(lái)越重視，中石化、中石油等傳統(tǒng)燃油巨頭，以及各大重載運(yùn)輸車輛生產(chǎn)商，也是基于這個(gè)原因，大力推動(dòng)燃料電池產(chǎn)業(yè)化。




質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)受到歡迎

在燃料電池技術(shù)中，質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC) 越來(lái)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(dòng)時(shí)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(gè)重要的特點(diǎn)是：在材料開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，帝斯曼的出發(fā)點(diǎn)是深入研究整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)理、工況、運(yùn)行模式，以及在制造和生產(chǎn)中的問(wèn)題，并從這些深入的研究中，抽取出材料上需要做什么改進(jìn)，以最大程度上保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期壽命和效率。概括性來(lái)說(shuō)，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(duì)材料的長(zhǎng)期水解，離子析出率有很高的要求。另外，對(duì)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(huì)有其他物質(zhì)析出；商用車、重卡，工作時(shí)長(zhǎng)15,000小時(shí)起，對(duì)材料長(zhǎng)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(huì)析出離子，什么樣的離子，離子對(duì)催化劑、對(duì)氣體擴(kuò)散層、對(duì)質(zhì)子交換膜有什么樣的影響，帝斯曼都有全工況測(cè)試數(shù)據(jù)和計(jì)算模型，這些數(shù)據(jù)和模型可以幫助客戶縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并且做到“一次就對(duì)”!

從可靠性角度，特別是在抗離子浸出、耐水解以及相應(yīng)的長(zhǎng)期機(jī)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(kāi)發(fā)專門的PPS化合物，以生產(chǎn)高效可靠的電池。帝斯曼專門針對(duì)燃料電池的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了全系列的材料，這些材料具有業(yè)內(nèi)最低的離子析出率，最高的耐水解性和長(zhǎng)期水解后的抗蠕變性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hào)控制和傳輸；而電動(dòng)車，電是驅(qū)動(dòng)，是高壓電，它不僅涉及動(dòng)力問(wèn)題，更涉及到安全問(wèn)題。材料在工況下，老化機(jī)理、電熱老化機(jī)理、機(jī)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(cè)試研究都要基于實(shí)際工況。我們研究所有的實(shí)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(jī)理。我們?nèi)ダ斫饪蛻舻膽?yīng)用要求到底是什么，轉(zhuǎn)化為材料的語(yǔ)言，通過(guò)我們很多深入的研究數(shù)據(jù)，最后轉(zhuǎn)化到我們的材料配方。“這些研究和材料上的突破，對(duì)于電動(dòng)車領(lǐng)域理解的深度，帝斯曼在行業(yè)內(nèi)是領(lǐng)先的?！?/p>

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