都2019了還在追求能量密度？安全可靠才是最好的做法
時(shí)間:2019-04-29 09:38來源:電動(dòng)邦 作者:綜合報(bào)道
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3月下旬，財(cái)政部等四部委聯(lián)合發(fā)布了新能源汽車的補(bǔ)貼政策，萬眾期待的2019補(bǔ)貼新政就此翩然而至。在今年的補(bǔ)貼規(guī)則中，能量密度依然是衡量補(bǔ)貼金額的三大維度之一（另外兩個(gè)是續(xù)航和電耗）。
但不難看出，今年國(guó)家給予它的權(quán)重顯然低了一些——數(shù)值160瓦時(shí)/公斤即成為最高檔，而且今年對(duì)能量密度也沒有任何系數(shù)加權(quán)（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(gè)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(duì)于電池技術(shù)和能量密度來說恰恰也蘊(yùn)含著同樣的關(guān)系。
首先，業(yè)內(nèi)針對(duì)動(dòng)力電池常說的能量密度，主要指的是“質(zhì)量能量密度”，講的是同等質(zhì)量下電池組儲(chǔ)存的總電量有多大。對(duì)于動(dòng)力電池來說，它固然是重要指標(biāo)，但卻不是唯一重要的那個(gè)。
除它之外，衡量電池性能的主要指標(biāo)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(biāo)相互依存且對(duì)立，基本是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，其實(shí)歸結(jié)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(guān)鍵維度
單就能量密度而言，它存在兩對(duì)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(yīng)的活性物質(zhì)，目前鋰離子電池能量提升的內(nèi)在途徑主要有兩方面：
1.通過高比能的材料組合來實(shí)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(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、集成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，也就是進(jìn)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(jié)構(gòu)件，比如碰撞保護(hù)結(jié)構(gòu)和溫控系統(tǒng)，無疑也對(duì)整車安全性存在影響。
也就是說，對(duì)電芯而言，能量密度上升的同時(shí)，電池穩(wěn)定性會(huì)有相應(yīng)下降，對(duì)BMS電控及電池?zé)峁芾淼囊缶透摺Ｌ嵘山M電池密度的時(shí)候，也不能以降低整體安全性為代價(jià)。
▲近期大熱的特斯拉燃爆事件，才讓人們開始意識(shí)到電動(dòng)汽車的安全性有多重要
B.和功率性能的矛盾：練長(zhǎng)跑的運(yùn)動(dòng)員跑不了短跑
功率性能的主要指標(biāo)是功率密度，衡量的是同質(zhì)量或體積下的最大輸出功率。通俗點(diǎn)說，能量密度表達(dá)了電池的容量大小（單位：瓦時(shí)/公斤）；功率密度則表達(dá)了電池的瞬時(shí)動(dòng)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(guān)系的。但在目前階段鋰電池技術(shù)體系下這點(diǎn)卻是相互矛盾的：為提高能量密度我們需要提高活性物質(zhì)的比例，比如提高電極的涂布量，這就導(dǎo)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(dǎo)電液的比重。
因此如何能在兩者之間達(dá)到一個(gè)平衡就變得非常困難。這也是為何動(dòng)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(shí)，功率性能會(huì)下降。
▲特斯拉的“狂暴”模式雖快，但會(huì)極快的消耗續(xù)航和影響電池壽命
能量密度不應(yīng)成為追逐的核心指標(biāo)
此前在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)車企和車型把沖刺續(xù)航和能量密度捆綁在了一起。動(dòng)力電池發(fā)展有非常清晰的目標(biāo)路線圖，按照國(guó)家動(dòng)力電池技術(shù)路線圖的規(guī)劃，2020年，電池單體比能量達(dá)到350瓦時(shí)/公斤，系統(tǒng)比能量達(dá)到250瓦時(shí)/公斤，從目前的動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展來看，第一點(diǎn)已經(jīng)很難，第二點(diǎn)更是激進(jìn)了一些。
▲國(guó)家關(guān)于動(dòng)力電池能量密度和成本的規(guī)劃目標(biāo)
根據(jù)某電動(dòng)汽車研究機(jī)構(gòu)不完全統(tǒng)計(jì)，2017年和2018年，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)生的安全事故分別為14起和34起。國(guó)家863電動(dòng)車重大專項(xiàng)動(dòng)力電池測(cè)試中心主任王子?xùn)|在今年年初曾說“目前很多起電動(dòng)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(shù)指標(biāo)超速發(fā)展有直接關(guān)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(chǎn)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(dāng)然，安全是其中最不容易量化的維度。要通過整個(gè)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(duì)安全、可靠性要求更高的成熟國(guó)際化品牌是怎么做的吧——以德系豪華三強(qiáng)中的科技代表奧迪為例——首款純電動(dòng)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(dá)95度，唯獨(dú)能量密度不算突出，僅為135.7瓦時(shí)/公斤。單看這個(gè)數(shù)據(jù)，即使以2018年的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系嗎？
當(dāng)然不是，奧迪只是找到了一整套自己的解決方案，針對(duì)電池，它的具體做法是這樣的：
1.加強(qiáng)度極高的殼體結(jié)構(gòu)——這是完全由奧迪自己開發(fā)制造，并經(jīng)過足夠的碰撞測(cè)試驗(yàn)證后，最終選擇的方案。
上圖右上角的鋁框架防撞結(jié)構(gòu)算是e-tron電池組的重要特色，碰撞時(shí)框架可以分散能量，起到保護(hù)作用，電池模組則在其框架內(nèi)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(gè)電池組重量約700公斤。從95千瓦時(shí)的電量來看，因?yàn)榇罅坎捎娩X制部件，并且加強(qiáng)度非常高，所以整個(gè)電池組的重量其實(shí)控制的還算OK。但正是由于內(nèi)部防撞結(jié)構(gòu)占據(jù)了不少空間，導(dǎo)致能裝入的模組及電池?cái)?shù)量受限，所以能量密度并不高。
▲內(nèi)側(cè)的橫向、縱向防撞結(jié)構(gòu)可以有效分散和疏導(dǎo)撞擊力
▲最終出來的電池組成品長(zhǎng)這樣
▲電池組外框架（防撞梁）也采用了中空結(jié)構(gòu)，減重和吸能兼顧
2.精心設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)——為了讓電池保持在一個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)（奧迪的設(shè)定是25-35攝氏度），奧迪為電池組準(zhǔn)備了風(fēng)冷與液冷兩種不同的冷卻方式，根據(jù)使用情況的不同，會(huì)采用不同的冷卻循環(huán)。
交流充電時(shí)，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(shí)外部電源直接與電池相連，因而此時(shí)電池是需要降溫的主要對(duì)象。奧迪沒有選擇將冷卻管道設(shè)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(dǎo)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(shè)置鋁合金框架，能夠在發(fā)生碰撞時(shí)引導(dǎo)碰撞能力，減少對(duì)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(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電池管理控制單元會(huì)根據(jù)電池的當(dāng)前溫度情況，選擇使用風(fēng)冷或者冷卻裝置來進(jìn)行冷卻，相當(dāng)于電池系統(tǒng)整車有4條冷卻回路，可根據(jù)需要進(jìn)行切換，分別是壓縮機(jī)、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(shí)兼顧了效能。
最后，奧迪對(duì)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(xiǎn)的圓柱電芯——來自于軟包技術(shù)領(lǐng)先的的LG 化學(xué)歐洲工廠，電芯及模組均由其提供（36個(gè)模組，432個(gè)電芯），單體能量密度數(shù)據(jù)不詳，但邦老師評(píng)估應(yīng)該不會(huì)低。而圓柱電芯密度雖高，但一致性相對(duì)難以控制，軟包電芯因其內(nèi)阻小、重量輕、密度高、形狀可塑性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)（雖然成本還要更高），更受奧迪、奔馳、日產(chǎn)等國(guó)際大品牌的青睞。
▲奧迪的軟包電芯模組，每個(gè)模組由12個(gè)60安時(shí)的電芯組成
綜上可見，奧迪e-tron的電池組在幾個(gè)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(shí)兼顧續(xù)航、安全、壽命、加速性能的方案。
對(duì)能量密度的追逐暫時(shí)可以緩緩了
相比于續(xù)航和安全方面
在整個(gè)2018年，大家還都認(rèn)為能量密度是個(gè)非常核心的參數(shù)，對(duì)各類車型數(shù)據(jù)追得不亦樂乎。邦老師也明白，這個(gè)指標(biāo)無疑是提高整車?yán)m(xù)航和能效的關(guān)鍵指標(biāo)，但這應(yīng)該僅限于生產(chǎn)者們的角度。對(duì)于廣大消費(fèi)者來說，它只不過是目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中的一個(gè)參考值而已。與其關(guān)心這個(gè)數(shù)值，還不如關(guān)心關(guān)心你車輛的電耗。在這點(diǎn)上，今年補(bǔ)貼政策的調(diào)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(jìn)入500公里區(qū)間，續(xù)航焦慮正開始逐漸消除，也該進(jìn)入全方位發(fā)展的階段了。而在國(guó)外，類似奧迪等車企的做法，反倒一直秉持一種很負(fù)責(zé)任的態(tài)度，續(xù)航和性能固然重要，但是對(duì)于安全和可靠的保證，包括研發(fā)階段足夠的技術(shù)及產(chǎn)品驗(yàn)證，任何時(shí)候都值得給予更大的投入和耐心。
文章標(biāo)簽：
鋰電池
動(dòng)力電池
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