老司机秘籍No.48:1篇文章,3个问题,看懂电动汽车电池能量密度和续航的那些事!

2019-05-16 20:00:00 109点赞 619收藏 127评论

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之前,汽车小小值编辑团队跟我约稿了一篇围绕电动汽车的文章,大家反馈还不错。

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但汽车编辑们觉得这还不够,还想让我更深入地讲一讲电动车。于是,本文就从电池材料、电池封装、电池包布置三大方面,一篇文章为你解读直接关乎续航关键的电动车电池,以下是正文:

现阶段,制约纯电动车推广和使用的最大问题就是锂电池能量密度比较小,相对于燃油车来说纯电动车的续航里程普遍比较短,特别是高速续航差距会更大。续航里程会很大程度影响纯电动车的使用范围,所以续航里程现在是广大消费者对于纯电动车最关心的一个性能指标。受汽车小小值的邀请,这次跟大家聊聊锂电池能量密度和纯电动车续航里程的那些事。

老司机秘籍No.48:1篇文章,3个问题,看懂电动汽车电池能量密度和续航的那些事!

要想让纯电动车跑得更远,一方面电耗要尽可能低,要减轻重量降低风阻等;另一方面电量要带得多,不仅是要用能量密度高的电池,还要布置好电池包,合理利用车内的空间。本文将从电池材料,电池封装,和电池包布置,分别从这些方面介绍讨论影响车子续航里程和电池能量密度的因素。

1,电池材料

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既然续航里程是电动车最大的痛点,那么解决这个痛点最根本的办法自然就是去提高电池的能量密度。近年来,在乘用纯电动车领域,能量密度占据优势的三元锂电池基本已经一统江山,现在市面上新款的纯电动乘用车绝大多数都采用三元锂电池。

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(误)

那么这个“三元”指的是什么呢?其实这里的“三元”指的是电池中的正极材料,用的是镍钴锰酸锂(NCM)或镍钴铝酸锂(NCA)。是时候给大家复习一下元素周期表了,氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……

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这节课需要掌握的是镍Ni钴Co锰Mn和铝Al,机智的同学应该已经看出来了,我们平时提到比较多的NCM和NCA就是镍钴锰和镍钴铝的缩写。(后面都用缩写了哈)采用NCA电池的厂家比较少,名气最大的当然是特斯拉了,国内有小鹏、宝骏、知豆等少数厂家追随特斯拉的步伐。目前来说NCA的能量密度仍然有一定的优势,但热稳定性会稍差于NCM。而其他大多数厂家则是采用的NCM作为锂电池的正极材料。我们在报道中经常会听说NCM111,NCM523,NCM622,NCM811等名词,NCM后面跟的三个数字指的是三种元素的混合比例,随着镍Ni含量的提高,能量密度会有一定的提高。

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对于关注电动车和电池发展的同学来说,固态电池这个词一定不会陌生。其实这个“固态”指的是电解质是有一部分或者全部成分是固态的,电解质中固态成分越高,对于锂电池的能量密度、安全性和寿命都是有好处的。现阶段锂电池的电解质还都是液态的,所以一般也叫电解液。固态电池被认为是锂电池下一步的发展趋势,很多公司已经在固态电池的研发上投入重金,技术实力雄厚的丰田公司声称2022年即可量产固态电池。

丰田展示的全固态电池丰田展示的全固态电池

2,电池封装

有了电池材料,接下来就要把它们装在一起形成电池单体。电池封装分为三种,分别是方形、软包和圆柱。用形象一点的比喻来说,方形电池像是做煎饼,把电池材料一层一层折起来;软包电池像是做千层饼蛋糕,把电池材料一层一层铺上去;圆柱电池像是做鸡肉卷,把电池材料一圈一圈卷起来。

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特斯拉和他的追随者们采用的是圆柱电池,即靠成百上千节圆柱电池组成的电池包来储存能量。这种圆柱电池已有数十年的历史,工艺成熟稳定,成本较低,而且能量密度也很不错。2017年特斯拉推出的Model 3采用了21700规格的圆柱电池,其电池单体能量密度率先达到了300Wh/kg,遥遥领先于采用其他技术路线的对手。这也是为什么自Model S起,续航里程一直是特斯拉的优势。

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既然圆柱电池又便宜,能量密度还大,为什么只有寥寥几个厂家追随特斯拉采用圆柱电池的方案,其他车企都是傻吗?显然不是。这种用几千节电池的方案对电池管理系统提出了很高的要求,同时安全性方面也会更有挑战。马斯克认为从统计数据来说,特斯拉的起火比例并不比燃油车更高(30万辆特斯拉有40起起火事故),但考虑到特斯拉的平均车龄很短,特斯拉的电池安全性似乎并没有让人很放心。

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与之相对的,卖了43万辆的纯电动车日产聆风,在过去9年里仅有2起起火事故,其中一起是被充电桩引燃,另一起是被山火引燃,起火原因都和电池本身无关。可见至少从统计数据看,日产的电动车比特斯拉靠谱安全得多。那么聆风用的是什么电池呢?

日产Leaf日产Leaf

答案是软包电池。正如统计数据所示,软包电池的安全性是很好的。之前有个视频,国外一个视频博主用螺丝刀穿刺,用火烧聆风的AESC软包电池单体,电池不但没有起火爆炸,甚至还能正常提供电压工作,让人刮目相看。现阶段软包电池的能量密度还不是很高,不过随着高镍正极材料投入应用,在电池包能量密度上追平圆柱电池还是有希望的(圆柱电池成组效率会低一些),而且软包这种封装方法更加适用于固态电池,将来没准能逆风翻盘。之所以叫软包,就是因为它的外面是一层铝塑膜,而没有硬壳。而这个铝塑膜长期的可靠性不好说,容易出现破损漏液的情况。另外,生产工艺复杂,一致性差,成本偏高,也是制约软包电池大面积应用的障碍。

日产Leaf的电池单体、电池模组、电池包日产Leaf的电池单体、电池模组、电池包

最后说方形电池。其实从装机量来看,方形电池才是目前主流的技术路线。有硬壳保护安全性好,散热好以及结构简单是方形电池的优势。高镍正极材料应用后,在能量密度方面有机会和特斯拉的NCA圆柱电池刚一波。连圆柱电池的巨擘松下也开始搞方形电池两头下注,可见这条技术路线还是很有竞争力的。

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圆柱电池规格是统一的,给小鹏生产的18650电池和给宝骏、知豆生产的基本是一样的,动辄百万千万级的产量也容易降低成本;软包电池虽然工艺复杂,不过生产很灵活,调整每一层材料的大小和层数就能生产出各种高矮胖瘦的电池;而方形电池就比较麻烦了,每家车厂电池的外壳形状大小都不一样,里面电池材料的折法也不一样,这不利于大批量生产降低成本。

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我看到很多人认为这些年电池技术发展缓慢,这是不正确的。以宝马i3为例,2013年刚推出时,其电池包能量为22度;在电池包体积重量几乎没有变化的前提下,2016年升级至33度,2019年升级至42度。短短6年时间,电池包的能量密度几乎翻倍,这显然是巨大的技术进步。下图为日产Leaf历代车型的电量和续航表现,呈现了相似的结果。根据现有的技术路线图,在未来几年的时间内,动力电池的能量密度水平有望继续保持增长。

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3,电池包布置

由多个单体电芯组成模组,再配上电池管理系统,装进结构组件中,才是一个完整的动力电池。而动力电池的尺寸和形状,就要受到整车布置的影响了。通常来说,原生的纯电动平台会在续航、空间等方面表现优于油改电或者油电共用平台。从整车结构图和动力电池形状很容易就能分辨出是否是原生的纯电平台。

特斯拉纯电动平台特斯拉纯电动平台

如果是专门为纯电动车设计的纯电平台,动力电池通常放是在前后轴之间的车身底部,形成一块平整的大平板。这样电池可以布置得很规整,有利于带更多的电池,同时车内空间不会受到影响。这种原生纯电平台的车很容易做到后排地板纯平无突起,正副驾驶员中间也能获得很好的储物空间,有些车甚至还可以在车头附赠一个前备箱。而且电池放在车底整车重心很低,有利于提高操控性能。

大众MEB平台大众MEB平台

而油改电或者油电共用平台,通常就难以把电池布置得这么规整。要么会占据车内中央通道的空间,要么会占用一部分后备箱空间,车厂需要见缝插针地往车里塞进更多的电池。在油车平台基础上改进而来的电动车,通常携带电池有限,续航里程会略短。以这一波合资纯电动轿车为例,纯电轩逸338km,纯电高尔夫270km,纯电朗逸278km,在最近新上市的电动车里续航算是偏短的。(均为NEDC续航)

大众e-golf的电池系统大众e-golf的电池系统

由于在车底的电池会影响车内垂向的空间,国内外多数厂家都选择了高度更大的纯电动SUV作为切入市场的第一款车型,这样在布置上的难度会低一些。(奔驰EQC,奥迪E-tron,宝马iX3,蔚来ES8,威马EX5,小鹏G3,天际ME7,爱驰U5等等等等)而偏偏有厂家反其道而行之,零跑的首发车型是一款小跑车。由于电池布置原因,它的座椅位置明显偏高,与跑车所追求的低矮坐姿不符。

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根据2019年最新的新能源车补贴政策,纯电动乘用车只有续航里程超过250km的才能拿到1.8万元补贴,续航里程超过400km的可拿到2.5万元补贴。对于2019年推出的新款电动车来说,还是有不少车型可以超过400km的门槛的。但是,想要拿到这完整的1.8万/2.5万补贴可没那么容易,为了防止车企靠堆低水平的电池满足续航里程,政策还对电池系统的能量密度做出了要求。只有当你电池系统能量密度超过160Wh/kg时,才可以拿到全额的补贴;能量密度在140-160Wh/kg之间的,到手补贴还要打个九折;能量密度在125-140Wh/kg之间的,补贴要打上八折。如果你的电池系统能量密度连125Wh/kg都没达到,那么不好意思,你续航能跑800km也没有补贴!这个门槛要求可并不低,两三年前国外比较先进的纯电动车都未必能达到160Wh/kg的全额补贴门槛。

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2019年新能源车的补贴退坡了很多,官方表示未来会将更多的补贴投入到充电基础设施的建设中去。由于补贴退坡,纯电动车的价格势必会有数万元幅度的上升,今明两年纯电动车的终端销量恐怕会受到严重影响,这对于电动车企显然是个糟糕的消息。但是,考虑到技术的进步,电池能量密度仍在一步步提高,电池成本逐年下降,长期来看我对纯电动车市场还是比较乐观的。而且,未来几年内,传统汽车巨头门的纯电动车平台将相继推出,将来会有更多、更成熟、更优秀的纯电动车产品问世。

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以现在电池技术的发展速度,相信用不了几年市面上的电动车普遍都能达到500-600km级别的续航里程,届时电动车的续航焦虑会大幅度减轻,纯电动车不仅可以完全满足市区和市郊通勤的出行需求,像京津、沪宁杭、广深这种距离级别的长途出行需求也可以被轻松满足。其实现在已经有一些续航能力优秀的产品NEDC续航里程能超过500公里了,比如:特斯拉Model S/X/3,捷豹ipace,蔚来ES6,比亚迪唐EV,广汽Aion S,吉利几何A等长续航版本车型。当然,实际使用中续航里程通常会相较NEDC续航数字打一些折扣,这些500公里级别的选手们仍然有进步的空间。

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