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主流车企及其采用的动力电池比较

传感器技术 2019-08-09 14:48 次阅读

特斯拉松下——钴酸锂电池

作为纯电动车领域的全球领导者,诞生自美国硅谷的特斯拉汽车凭借犀利的外形、3.2秒的百公里加速时间、以及超过400公里的续航能力,让大家对于电动车的看法有了颠覆性的改观,并且迅速成为挑战传统燃油车的一大代表车型。除了强悍的电动机以及出色的电源管理技术之外,特斯拉能够一炮而红的原因与其采用的钴酸锂电池不无关系。

早期的特斯拉MODEL S车型使用的是日本松下18650钴酸锂电池,其单个大小略大于我们常见的5号干电池,但就是这样看似其貌不扬的电池,经过几千颗的相互并联,组成的电池组同样能够释放出了惊人的能量。

这种电池我们并不陌生,像笔记本电脑等电子数码设备使用的都是这种类型的电池,相比于其它电池类型,以松下18650电池为代表的钴酸锂电池的优点是技术颇为成熟,比能量高,此外,这类电池放电电流大,充电速度高,非常适合特斯拉这样以高性能为取向的电动车。

为了尽可能提高电池的能量密度,特斯拉将这些单颗3100mAh容量的18650锂电池,整齐排列组合形成一个个小的“电池盒”单元,再将这些单元进一步拼接构成一整块的动力电池组。最终总计8142颗18650电池组合成的电池组拥有超过85kWh的总容量,从而保证了特斯拉MODEL S超过400公里的续航能力。

斯拉这种高密度的电池组合方式虽然带来了可观的电池总容量,但是钴酸锂电池热稳定性差,再加上将集成电池板平铺于车辆的底盘位置,这样就对电池的散热与安全性提出了更高的要求,为此特斯拉不得不设计出了复杂的电池保护程序以及独特的液冷散热系统来保证这套电池组的正常运作。

这一方面不仅加大了车身质量,对车辆的续航里程有一定的影响,当然最明显的则是无形中推升了车辆的制造成本,因此特斯拉卖出这样的售价也是有原因的。

比亚迪与磷酸铁锂电池

说到磷酸铁锂电池,我们一定不得不说目前国内最具规模的新能源车企比亚迪。这家以做手机锂电池起家,现如今已经成长为涵盖电池制造、传统与新能源汽车生产制造的综合大型企业。这其中,磷酸铁锂电池就是其最核心的产品,并且装备于比亚迪旗下的绝大多数车型上。

磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池(用磷酸铁锂(LiFePO4)材料作电池正极),它的放电效率较高,价格也相比其他锂电池更有优势。早年间,搭载比亚迪“铁电池”的E6电动车成功为比亚迪打开了国内电动车市场,其投入深圳出租车市场运营的比亚迪E6电动车也是大获成功。

作为全球最先实现磷酸铁锂电池产业化的车企之一,比亚迪所采用的这类磷酸铁锂电池相比早期的锰酸锂电池,虽然在能量密度上并未有太大差别,但其热稳定性是目前动力锂电池中最好的。

当电池温度处于500-600℃高温时,其内部化学成分才开始分解,并且穿刺、短路、高温都不会燃烧或爆炸,而相比上面所说的松下钴酸锂电池(180-250℃时就内部化学成分就已处于不稳定状态),显然,磷酸铁锂电池的安全性要更高一筹。

除了安全性更高之外,磷酸铁锂电池的使用寿命也有一定的优势。从深圳出租市场投入运营的比亚迪E6使用效果上看,这些自2010年开始运营的850台E6电动出租车累计总行驶里程已经突破3亿公里,其中单车最高行驶里程超67万公里,至今这些车辆仍然运行良好,这也说明了磷酸铁锂电池的可靠性。这样成绩也让比亚迪E6成为我国电动出租车市场保有量最大的车型。

不过除了热稳定性这一突出的优势之外,磷酸铁锂电池的能量密度较三元锂电池以及钴酸锂电池仍有不小的差距,同样的电池容量,磷酸铁锂电池的重量更重、体积也更大,这也导致采用该电池类型的车辆续航里程表现一般。

当然,磷酸铁锂电池最大的痛点在于低温下的充电问题,当温度低于-5℃时,充电效率较低,不适合北方新能源汽车车主在冬天的充电需求,这也成为比亚迪目前最新的混动车型唐100、秦100暂时改用三元锂电池的重要原因。

目前使用最为广泛的三元锂电池

三元锂电池顾名思义是指电池是指正极材料中,除了锂外,还有镍钴锰,或者镍钴铝三种金属。相比磷酸铁锂和钴酸锂电池,三元锂电池的综合表现更为平均,能量密度不低,体积比能量也较高,而且价格也相对合理些因而被越来越多的新能源汽车厂家所采用。

三元锂电池作为近两年涌现出的一种新产品其特点在于其优点在于它具有能量密度高、循环寿命长、利于整车轻量化等优点对于提升车辆续航里程有很大帮助。此外更重要的原因则是随着产能的提升,三元锂电池的价格也进一步降低,正因为这些原因导致国内车企乘用车纷纷转向使用三元锂电池。

要说三元锂电池的缺点的话,那就是三元材料的脱氧温度是200℃,放热能量超过800J/g,并且无法通过针剌实验。这就表明 了三元电池在内部短路、电池外壳损坏的情况下,很容易引发燃烧、爆炸等安全事故。

正是出于安全性的原因导致国家曾暂停过在商用车型上配备三元锂电池。不过后来随着技术的进步,尤其是在应用了陶瓷隔膜之后三元锂电池的安全问题已得到改善和解决。就目前市场情况来看,由于三元锂电池综合优势还是比较明显的,汽车厂商对于三元锂电池的关注度也在持续增加。

新型电池技术前瞻—— 物理电池

物理电池是依靠物理变化来提供、储存电能的电池统称,如“瞬间充满电的超级电容”、“比功率达5000-10000W/kg的飞轮电池”等都属于物理电池家族的成员。

超级电容

超级电容是一种介于传统电容与电池之间的电源元件,功率密度高达300-500W/kg,是普通电池的5-10倍。它主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能,其间不发生化学反应,因此被归为物理电池的范畴。

相比化学电池,超级电容有三大明显优势:

1、反复充、放电次数达十万次(传统化学电池只有几百至几千次),寿命上要比化学电池高出很多;

2、超级电容在充、放电时的功率密度极高,瞬间可放出大量电能,可满足车辆更加宽泛的电力需求;

3、工作环境适应能力更佳,通常室外温度在-40℃~65℃时,其都能稳定正常工作(传统电池一般为-20℃~60℃)。

飞轮电池

飞轮电池是上世纪90年代提出的一种新概念电池,它是利用类似飞轮转动时产生能量的原理实现充、放电。

大名鼎鼎的“ 保时捷911 GT3混合动力赛车”以及被评为当今四大神车之一的“ 保时捷918 Spyder”均在两前轮处安装有飞轮电池,飞轮技术将制动所收集的动能转化为电能,并将能量贮存于一个飞轮之中。在加速过程中,该能量将转移至前轮,在提高加速的同时减少内燃机的燃油消耗。

由于技术和材料价格的限制,飞轮电池的价格相对较高,在小型场合还无法体现其优势。但在太空、大规模交通运输以及军事方面需要大型储能装置的场合,飞轮电池已得到逐步应用。

随着新能源汽车的发展,电池作为重要部件之一,能量密度在不断提高。

电池革命的关键在于材料,三元材料将成为主流的正极材料体系,石墨与软碳、硬碳等具备不同特性的负极材料混合应用也将成为负极材料的主流体系。

另外,石墨烯在我国已经开始进入中期试验阶段,量产后会大幅度提高电池的能量密度水平及寿命。


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