混合動力汽車需要什么樣的電池

時間:2022-02-17 09:20來源:中國汽車報 作者:馬鑫 張雅慧
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       前不久，中國汽車工程學會通過線上直播的方式召開“節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖系列年度研究成果發(fā)布會”，提出了2021年節(jié)能與新能源汽車技術(shù)的九大動向，其中“集成混動專用發(fā)動機、機電耦合系統(tǒng)、大功率電機等專用部件的重度混動系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)油耗降到4L/100km以下”引發(fā)關(guān)注。
 
       自《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》2020年發(fā)布以來，行業(yè)發(fā)展混動技術(shù)的熱情在極短的時間內(nèi)被再度點燃，及至2021年年底，幾乎所有主流自主品牌車企都推出了自家的混動系統(tǒng)架構(gòu)。而隨著市場的發(fā)展，對混動系統(tǒng)專用部件的需求也成為題中應有之義。具體到電池上，混動汽車究竟需要什么類型的電池，又是什么因素決定著市場的選擇？這些問題少有人談及，但卻很有必要深入探討。
 
01
 
混動汽車平臺化成為趨勢
 
       混動熱潮席卷而來，多家企業(yè)都推出了自己的技術(shù)和產(chǎn)品方案，但“混動”這一個語義包含了太多內(nèi)容，不僅普通消費者容易一頭霧水，即便業(yè)內(nèi)人士想要在某一語境下厘清所指恐怕也需費一番工夫。目前來看，插電式混合動力汽車（PHEV）歸入了新能源汽車序列，而混合動力汽車（HEV）則屬于節(jié)能汽車的范疇。
 
       根據(jù)工信部2020年6月發(fā)布的《關(guān)于修改〈乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法〉的決定》，插混汽車可以獲得1.6個新能源汽車積分；而混動汽車（HEV）則歸入“低油耗乘用車”；同時，“2021年度、2022年度、2023年度，低油耗乘用車的生產(chǎn)量或進口量分別按照其數(shù)量的0.5倍、0.3倍、0.2倍計算”的規(guī)定也堅定了企業(yè)發(fā)展混動技術(shù)的決心。
 
       從市場反饋情況來看，比如2021年12月，根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，當月純電動汽車產(chǎn)銷量分別為43.4萬輛、44.8萬輛，同比均增長1.1倍；插混汽車產(chǎn)銷量分別為8.4萬輛和8.2萬輛，同比增長1.6倍、1.2倍，其中，比亞迪、理想汽車、上汽大眾、寶馬、上汽乘用車是主要的市場參與者。另據(jù)相關(guān)機構(gòu)的統(tǒng)計，2021年上半年，我國混動乘用車（HEV）銷量合計約為24.7萬輛，同比增長72%，代表企業(yè)以本田系、豐田系為主，自主品牌車企暫未取得較大突破。
 
       在行業(yè)政策及市場發(fā)展的背景下，大部分自主品牌車企推出的混動系統(tǒng)架構(gòu)，都從整車開發(fā)設計的一致性，以及市場營銷等不同角度出發(fā)，將目標定位在實現(xiàn)包含混動（HEV）和插混的“大一統(tǒng)”混動技術(shù)發(fā)展上。
 
       以長城汽車檸檬混動DHT為例，據(jù)官方介紹，該系統(tǒng)集成了1.5L/1.5T混動專用發(fā)動機、發(fā)電/驅(qū)動雙電機、定軸式變速器、雙電機控制器、集成DC/DC。“由于混動（HEV）和插混系統(tǒng)都是由高效率混動燃油發(fā)動機、高集成度雙電機混動變速器、高效能混合動力電池三大部分組成，擁有相同的架構(gòu)，因此檸檬混動DHT可以適用于這兩種動力形式。”長城汽車相關(guān)人士告訴《中國汽車報》記者。
 
02
 
不同混動構(gòu)型電池需求各異
 
       “混動對于零部件的需求非常獨特，從大的構(gòu)型來看，混動（HEV）和插混汽車對于電池的要求與純電動汽車大不相同，而前兩者之間又有不小的差異；同樣是發(fā)動機和變速器，混動汽車的需求與傳統(tǒng)燃油車也是截然不同。”廣汽乘用車有限公司技術(shù)中心產(chǎn)品技術(shù)室主任劉建國介紹道。
 
       蜂巢能源相關(guān)人士告訴記者，純電動汽車采用能量型電池，插混汽車采用能量兼功率型電池，而混動汽車（HEV）采用的是功率型電池。目前，純電動汽車在純電模式下行駛里程一般超過350km，前期在補貼政策的影響下，企業(yè)主要追求電池的高能量密度，電量普遍大于40kWh。電池電量大對功率有較大貢獻。因此，除低SOC、低溫等極限情況外，純電動汽車對功率密度需求普遍不高。
 
       插混汽車具備純電動和混動兩種模式，前者針對城市通勤的使用場景，后期兼顧長里程需求，解決里程焦慮。插混汽車在純電模式下行駛里程一般為50~80km，電量普遍不大，根據(jù)產(chǎn)品的不同定位，配套電池的電量為8~25kWh。
 
       換句話說，對于插混汽車，企業(yè)一般會綜合考慮電池的能量密度和功率密度，能量密度與純電動汽車的電池相比略低，功率密度是其1.5~2倍；而且，為保證混動模式的動力性及助力性能，SOC使用范圍一般為15%~95%；同時，因車輛兼具純電動及混動特性，也需要特別關(guān)注純電動里程的占比，在80km每循環(huán)的前提下，純電動里程占比高，對電池循環(huán)壽命的挑戰(zhàn)較大。
 
       混動汽車（HEV）的電池主要用于加速助力及能量回收，電量普遍較小，根據(jù)車型不同，約為0.8~2.1kWh；此外，由于僅有混動模式，其對電池的功率及循環(huán)壽命有很高的要求。
 
       “增程式插混汽車由于發(fā)動機不直接參與驅(qū)動，而是依靠電機，對電池也有自己的要求。”劉建國補充道，增程式插混技術(shù)路線中，發(fā)動機（增程器）僅用來發(fā)電，車輛電控策略相對簡單。
 
       “由于增程式插混汽車對電池電量需求較大，純電動模式下行駛里程一般要達到200km甚至更長，增程器在高效率區(qū)間發(fā)電，延長車輛的續(xù)駛里程，匹配40kWh或更高電量的電池，通常采用高能量密度電芯進行方案設計。”蜂巢能源相關(guān)人士表示。
 
03
 
追求安全、高倍率、長壽命
 
       不過，記者也了解到，遵循整車企業(yè)的設計思路，不同混動構(gòu)型對電池的需求也有共性可循。“目前，自主品牌車企常見的混動技術(shù)路線，基本還是動力分流和雙電機串并聯(lián)兩大類。從這個角度來看，行業(yè)對于混動電池的需求具有一定的一致性。”劉建國認為。
 
       科力遠相關(guān)人士向記者表示：“混動技術(shù)更關(guān)注電池的瞬間功率、脈沖循環(huán)壽命、日歷壽命及低溫啟動性能等，需要的是更具瞬間爆發(fā)力的功率型電池。純電動汽車動力電池的核心是能量密度、成本、循環(huán)壽命和安全性，更傾向于擴大續(xù)駛里程優(yōu)勢，需要的是可持續(xù)輸出的能量密度型電池。”
 
       “電池的安全性始終是整車企業(yè)的首要關(guān)注點�，F(xiàn)階段，在混動汽車（HEV）的電池選型中有兩條比較主流的路線，一是鎳氫電池，一是NCM523三元鋰電池。插混汽車采用的一般為三元鋰和磷酸鐵鋰電池。”劉建國告訴記者，“無論NCM523鋰電池，還是鎳氫電池，都已有大量的應用實績，安全性得到了充分的驗證。
 
       那么，排在第二位的關(guān)注點就是如何幫助混動系統(tǒng)及整車盡可能的省油。以混動汽車（HEV）為例，研發(fā)人員需要通過各部件的配合，讓發(fā)動機始終在最節(jié)油、最經(jīng)濟的工況區(qū)間運行，需要關(guān)注電池的充放電性能。對比來看，一般純電動汽車的電池放電倍率約為1~3C，而混動汽車（HEV）專用電池的放電倍率要達到10C。”
 
       除此之外，混動汽車（HEV）專用電池的循環(huán)壽命非常重要。劉建國介紹說，從設計經(jīng)驗及測試結(jié)論來看，電池充放電深度一般為40%~80%，但由于在行駛過程中需要頻繁充放電，循環(huán)壽命一般要超過2萬次（約等于30萬km的行駛里程），而這一指標（盡管充放電深度有所不同）在純電動或插混汽車上約為2千次。
 
       科力遠相關(guān)人士佐證了這一觀點：“不同混動車型以追求發(fā)動機效率最高目標來制定電池配套策略。功率分流路線以發(fā)動機為主，以動力電池為輔，需要快速大功率放電能力的電池；串并聯(lián)路線以電驅(qū)動（動力電池）為主，以發(fā)動機為輔，對電池的功率要求更高。”
 
       “自主品牌車企的混動架構(gòu)，以雙電機串并聯(lián)路線為主。插混汽車由于有更長的純電續(xù)駛里程，必然會要求一個容量較大的電池包，電芯一般70Ah左右，而混動汽車（HEV）的電池容量只有5Ah左右。這意味著，混動電池要在體積小的前提下，做到較高的充放電倍率，對隔膜、電芯、涂層材料等關(guān)鍵部件要求更高，加工工藝也會更復雜，精度誤差控制要更精確。”劉建國解釋道。
 
04
 
混動市場的電池博弈
 
       隨著不同技術(shù)路線混動汽車的發(fā)展，相關(guān)整車的電池配套正沿著各自的產(chǎn)業(yè)邏輯不斷進化。通過比亞迪超混系列車型的上市，刀片式磷酸鐵鋰電池開始在插混汽車上應用，而混動汽車（HEV）領(lǐng)域，本田大量應用三元鋰電池，豐田還堅持著鎳氫電池路線，并不斷進行新的嘗試。這是原有格局出現(xiàn)變化的信號，抑或是一種新博弈的開始？
 
       “三元鋰、鎳氫、磷酸鐵鋰電池在特性上各有所長，三元鋰電池能量密度高，但成本也較高；磷酸鐵鋰電池成本低，穩(wěn)定性好，但低溫下放電性能相對較差；鎳氫電池環(huán)保、可靠性更高、充放電倍率高，但能量密度再次之，且有一定記憶效應。”劉建國表示，“因此，整車企業(yè)還是要根據(jù)車輛設計要求，系統(tǒng)考慮電機、電控、發(fā)動機、變速器等重要零部件后再選擇電池類型。”
 
       科力遠相關(guān)人士介紹道：“混動汽車（HEV）專用電池目前可在零下30℃環(huán)境下快速低溫啟動，淺充淺放下能做到循環(huán)壽命1萬次以上，相當于與汽車同壽命或行駛20萬km。鎳氫電池具有高安全、長壽命、大功率、寬溫域、易回收等產(chǎn)品特點，其正極由球鎳制成，負極活性物質(zhì)則由儲氫合金構(gòu)成，屬于相對穩(wěn)定的材料，堿性水系電解液有良好的阻燃性能，不會發(fā)生爆炸燃燒事故；淺充淺放狀態(tài)下循環(huán)壽命可達1萬次以上；在零下40℃~60℃環(huán)境下保持高倍率充放電。”
 
       記者整理相關(guān)信息后發(fā)現(xiàn)，作為混動汽車市場重要一極的豐田，采用了THS功率分流技術(shù)路線，并堅持以鎳氫電池為主，其混動車型的經(jīng)濟性、安全性、耐久性得到了市場的充分認可。而2021年8月，由科力遠與豐田中國、新中源和豐田通商等合資成立、專門生產(chǎn)供應鎳氫動力電池的企業(yè)科力美，完成了最新一期擴產(chǎn)，總產(chǎn)能達到48萬臺。由此可見，在一定時期內(nèi)，鎳氫電池對于混動汽車（HEV）的發(fā)展意義仍十分重要。
 
       “三元鋰電池在低溫、功率密度等領(lǐng)域有一定優(yōu)勢，在插混和混動汽車（HEV）上均有比較廣泛的應用；磷酸鐵鋰電池則主要應用于插混汽車。”蜂巢能源相關(guān)人士表示。
 
05
 
未來多技術(shù)路線仍將共存
 
       “我國幅員遼闊，跨越了多個氣候帶，單一技術(shù)路線無法應對復雜的工況需求。比如，在東北三省等冬季溫度較低的北方區(qū)域，鋰電池充放電性能都會下降，影響車輛運行狀態(tài)。在高熱地區(qū)，過高的溫度也會給電池的安全性帶來考驗。鎳氫電池具備更好的低溫性和穩(wěn)定性，由于采用堿性電解質(zhì)水溶液，工作溫度可以低至零下40℃。”
 
       科力遠相關(guān)人士認為，“從技術(shù)角度講，鎳氫、三元鋰、刀片式磷酸鋰電池各有其使用場景，分別適用于不同的混動架構(gòu)。在高能量密度、高功率密度、高安全性和寬溫幅等關(guān)鍵性能指標的平衡上進行客觀分析，鎳氫電池和鋰電池并不是替代關(guān)系，在很長的時間內(nèi)，不同體系的電池技術(shù)將長期共存，并在各自適用的細分市場領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展。此外，從全球電池材料資源特性以及我國的資源稟賦來看，不同材料體系的動力電池共同發(fā)展，對于緩解電池材料供需、實現(xiàn)成本控制具有重要意義。”
 
       “新能源汽車都以提高續(xù)駛里程為目標，動力電池在向CTP（無模組）方向發(fā)展。刀片電池只是一種電芯的結(jié)構(gòu)形式，能提高電池系統(tǒng)的空間利用率，相同空間實現(xiàn)更多的電量儲備，提升了磷酸鐵鋰電池車型的競爭力。短刀電池布置靈活，兼容性更好，是我們未來產(chǎn)品的重點布局之一。”蜂巢能源相關(guān)人士也較認同不同類型電池將共存的看法。
 
       從整車企業(yè)的角度來看，未來混動汽車的發(fā)展趨勢是一個多因素共同作用的過程。在劉建國看來，理論上，隨著“綠電”比例提升，純電動汽車的應用規(guī)模將不斷擴大，進一步體現(xiàn)出節(jié)能減排的優(yōu)勢。插混汽車在短期內(nèi)還會享受新能源汽車政策紅利，首先在一些區(qū)域市場能夠獲得專用牌照，享受使用便利，其次目前依然享受免購置稅政策。
 
       另外，由于插混汽車“可油可電”，不少消費者出于對消費習慣和使用場景的考慮，對其情有獨鐘。而且，在這一細分市場將出現(xiàn)長續(xù)駛、短續(xù)駛版本共存的情況。不過，從長遠的角度來看，混動汽車（HEV）是幫助傳統(tǒng)燃油車實現(xiàn)碳達峰目標的重要途徑。“以廣汽傳祺GS8為例，配裝混動專用發(fā)動機的HEV車型，2噸多的整備質(zhì)量NEDC油耗5.3L/100km相當優(yōu)秀。”他說。
 
       科力遠相關(guān)人士告訴記者，2021年，我國混動汽車銷量同比增長121.6%，國內(nèi)外車企紛紛加快了混動布局，技術(shù)路線和車型不斷豐富，帶動配套專用電池的市場規(guī)模持續(xù)提升，1~3年內(nèi)的市場占比有望達到20%。“‘雙積分’等行業(yè)政策將有效提升車企發(fā)展混動的積極性。混動將成為快速替代燃油車的最佳選擇，配套專用電池的市場規(guī)模有著巨大的成長空間。未來，混動電池將朝著耐久性更強、安全性更高、成本更低、功率更大的方向進化，由此帶來更好的經(jīng)濟性與行駛體驗。”
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 電池 混合動力汽車
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