都2019了還在追求能量密度？安全可靠才是最好的做法

時間:2019-04-29 09:38來源:電動邦 作者:綜合報道
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       3月下旬，財政部等四部委聯(lián)合發(fā)布了新能源汽車的補貼政策，萬眾期待的2019補貼新政就此翩然而至。在今年的補貼規(guī)則中，能量密度依然是衡量補貼金額的三大維度之一（另外兩個是續(xù)航和電耗）。
 
       但不難看出，今年國家給予它的權重顯然低了一些——數(shù)值160瓦時/公斤即成為最高檔，而且今年對能量密度也沒有任何系數(shù)加權（去年最高系數(shù)為1.1，今年最高為1）。這里到底有什么門道呢？今天我們就來重新聊下能量密度這個話題。
 
能量密度非萬能藥，弊端客觀存在
 
       生活中有太多情況需要讓我們面臨“魚和熊掌不可兼得”的選擇，對于電池技術和能量密度來說恰恰也蘊含著同樣的關系。
 
       首先，業(yè)內針對動力電池常說的能量密度，主要指的是“質量能量密度”，講的是同等質量下電池組儲存的總電量有多大。對于動力電池來說，它固然是重要指標，但卻不是唯一重要的那個。
 
       除它之外，衡量電池性能的主要指標至少還有：功率密度、循環(huán)壽命、倍率性能（充放電）、穩(wěn)定性、一致性等等。這些指標相互依存且對立，基本是此消彼長的關系，其實歸結起來就是能量、功率、安全、壽命和成本之間的經(jīng)典矛盾。
▲圍繞電池綜合性能的5大關鍵維度
 
      單就能量密度而言，它存在兩對最大的矛盾，它們是：
      1.電池能量密度和整車安全性的矛盾；
      2.電池能量密度和功率性能的矛盾；
 
      怎么理解呢？咱們分別聊一下：
 
      A.和安全性的矛盾：我搬磚就沒法抱你，放下磚就沒法養(yǎng)你
 
      鋰電池的性能主要取決于參與電極反應的活性物質，目前鋰離子電池能量提升的內在途徑主要有兩方面：
 
      1.通過高比能的材料組合來實現(xiàn)（比如網(wǎng)紅高鎳電池NCM811），以此來提升離子活性，但活性越高又意味著電池的化學穩(wěn)定性越低，容易發(fā)生熱失控，降低電池的安全性。
 
      2.通過結構設計、集成技術來實現(xiàn)，也就是進一步提升輕量化程度、提高組件集成度和增大單體電池尺寸。但如果過多犧牲必要結構件，比如碰撞保護結構和溫控系統(tǒng)，無疑也對整車安全性存在影響。
 
      也就是說，對電芯而言，能量密度上升的同時，電池穩(wěn)定性會有相應下降，對BMS電控及電池熱管理的要求就更高。提升成組電池密度的時候，也不能以降低整體安全性為代價。
▲近期大熱的特斯拉燃爆事件，才讓人們開始意識到電動汽車的安全性有多重要
 
       B.和功率性能的矛盾：練長跑的運動員跑不了短跑
 
       功率性能的主要指標是功率密度，衡量的是同質量或體積下的最大輸出功率。通俗點說，能量密度表達了電池的容量大�。▎挝唬和邥r/公斤）；功率密度則表達了電池的瞬時動態(tài)特性、扭矩優(yōu)劣（單位：瓦/公斤）。
 
       理論上，能量密度和功率密度本來是沒有必然關系的。但在目前階段鋰電池技術體系下這點卻是相互矛盾的：為提高能量密度我們需要提高活性物質的比例，比如提高電極的涂布量，這就導致了功率性能的下降，而為了提升功率密度又需要降低涂布量，增加導電液的比重。
 
       因此如何能在兩者之間達到一個平衡就變得非常困難。這也是為何動力電池可分為功率型電池和能量型電池。
 
       也就是說，量密度上升的同時，功率性能會下降。
▲特斯拉的“狂暴”模式雖快，但會極快的消耗續(xù)航和影響電池壽命
 
能量密度不應成為追逐的核心指標
 
       此前在國家政策的引導下，國內車企和車型把沖刺續(xù)航和能量密度捆綁在了一起。動力電池發(fā)展有非常清晰的目標路線圖，按照國家動力電池技術路線圖的規(guī)劃，2020年，電池單體比能量達到350瓦時/公斤，系統(tǒng)比能量達到250瓦時/公斤，從目前的動力電池技術發(fā)展來看，第一點已經(jīng)很難，第二點更是激進了一些。
▲國家關于動力電池能量密度和成本的規(guī)劃目標
 
       根據(jù)某電動汽車研究機構不完全統(tǒng)計，2017年和2018年，國內電動汽車發(fā)生的安全事故分別為14起和34起。國家863電動車重大專項動力電池測試中心主任王子東在今年年初曾說“目前很多起電動車起火事故都沒有找到確鑿的原因” 。雖然不能說安全事故一定就和技術指標超速發(fā)展有直接關系，但至少算為我們敲響了警鐘。
 
       所以高能量密度電池一定是基于安全可靠、壽命可期、產品一致性有益為前提的。無條件無前提的追逐能量密度，可能損失更多。當然，安全是其中最不容易量化的維度。要通過整個系統(tǒng)去優(yōu)化，才能把電池的能量、功率、安全性、壽命、成本等平衡到最優(yōu)。
 
最好的做法，是安全可靠排第一
兼顧續(xù)航、性能和壽命
 
       我們直接來看看對安全、可靠性要求更高的成熟國際化品牌是怎么做的吧——以德系豪華三強中的科技代表奧迪為例——首款純電動SUV 奧迪e-tron，其百公里加速為5.7秒，NEDC續(xù)航超500公里，電池容量也高達95度，唯獨能量密度不算突出，僅為135.7瓦時/公斤。單看這個數(shù)據(jù)，即使以2018年的國家標準來看也不算高，難道奧迪不知道高能量密度和高續(xù)航的關系嗎？
 
       當然不是，奧迪只是找到了一整套自己的解決方案，針對電池，它的具體做法是這樣的：
 
       1.加強度極高的殼體結構——這是完全由奧迪自己開發(fā)制造，并經(jīng)過足夠的碰撞測試驗證后，最終選擇的方案。
       上圖右上角的鋁框架防撞結構算是e-tron電池組的重要特色，碰撞時框架可以分散能量，起到保護作用，電池模組則在其框架內橫向布置。電池組的外框架有47%的擠壓鋁型材料，36%的鋁板和17%壓鑄鋁部件組成的。整個電池組重量約700公斤。從95千瓦時的電量來看，因為大量采用鋁制部件，并且加強度非常高，所以整個電池組的重量其實控制的還算OK。但正是由于內部防撞結構占據(jù)了不少空間，導致能裝入的模組及電池數(shù)量受限，所以能量密度并不高。
▲內側的橫向、縱向防撞結構可以有效分散和疏導撞擊力
▲最終出來的電池組成品長這樣
▲電池組外框架（防撞梁）也采用了中空結構，減重和吸能兼顧
 
       2.精心設計的電池熱管理系統(tǒng)——為了讓電池保持在一個合適的溫度范圍內（奧迪的設定是25-35攝氏度），奧迪為電池組準備了風冷與液冷兩種不同的冷卻方式，根據(jù)使用情況的不同，會采用不同的冷卻循環(huán)。
       交流充電時，外部電源通過高壓充電器與電池相連，在這里高壓充電器是主要熱量來源，因而奧迪為充電器配備了水冷系統(tǒng)。
       直流充電時外部電源直接與電池相連，因而此時電池是需要降溫的主要對象。奧迪沒有選擇將冷卻管道設置在電池模組之間，而是將冷卻管道平鋪在電池模塊下方（有微通道），通過填縫劑、導熱凝膠等來幫助電池散熱。
 
       這么做，一來可以讓電池模組排列更緊湊，二來在模組之間就可以設置鋁合金框架，能夠在發(fā)生碰撞時引導碰撞能力，減少對電池帶來的損害。這里也可以看出，在保證高效能溫控的前提下，安全是優(yōu)先考慮，盡管可能帶來更多成本和能量密度的損失。
       而在車輛運行狀態(tài)時，電池管理控制單元會根據(jù)電池的當前溫度情況，選擇使用風冷或者冷卻裝置來進行冷卻，相當于電池系統(tǒng)整車有4條冷卻回路，可根據(jù)需要進行切換，分別是壓縮機、低溫冷卻器等組成的回路、集成熱泵系統(tǒng)、高壓充電裝置水冷回路，也同時兼顧了效能。
 
       最后，奧迪對電芯是怎么考慮的呢？
 
       3.采用更“適合”的軟包電芯，而非密度更大但更危險的圓柱電芯——來自于軟包技術領先的的LG 化學歐洲工廠，電芯及模組均由其提供（36個模組，432個電芯），單體能量密度數(shù)據(jù)不詳，但邦老師評估應該不會低。而圓柱電芯密度雖高，但一致性相對難以控制，軟包電芯因其內阻小、重量輕、密度高、形狀可塑性強的優(yōu)點（雖然成本還要更高），更受奧迪、奔馳、日產等國際大品牌的青睞。
▲奧迪的軟包電芯模組，每個模組由12個60安時的電芯組成
 
       綜上可見，奧迪e-tron的電池組在幾個重要方面也算做得面面俱到了，包括在安全的前提下力求最大化利用空間，比起一味地追求很高的能量密度，奧迪選擇更能同時兼顧續(xù)航、安全、壽命、加速性能的方案。
 
對能量密度的追逐暫時可以緩緩了
相比于續(xù)航和安全方面
 
       在整個2018年，大家還都認為能量密度是個非常核心的參數(shù)，對各類車型數(shù)據(jù)追得不亦樂乎。邦老師也明白，這個指標無疑是提高整車續(xù)航和能效的關鍵指標，但這應該僅限于生產者們的角度。對于廣大消費者來說，它只不過是目標實現(xiàn)過程中的一個參考值而已。與其關心這個數(shù)值，還不如關心關心你車輛的電耗。在這點上，今年補貼政策的調整邦老師是非常支持的。
 
       隨著主流家用車鎖定了400公里+的續(xù)航，部分高端車型進入500公里區(qū)間，續(xù)航焦慮正開始逐漸消除，也該進入全方位發(fā)展的階段了。而在國外，類似奧迪等車企的做法，反倒一直秉持一種很負責任的態(tài)度，續(xù)航和性能固然重要，但是對于安全和可靠的保證，包括研發(fā)階段足夠的技術及產品驗證，任何時候都值得給予更大的投入和耐心。
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 鋰電池 動力電池
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