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能量密度非万能药 安全可靠才是最好的做法

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-04-28 16:05:18   来源:新能源网  编辑:全球新能源网  浏览次数:1310


  3月下旬,财政部等四部委联合发布了新能源汽车的补贴政策,万众期待的2019补贴新政就此翩然而至。在今年的补贴规则中,能量密度依然是衡量补贴金额的三大维度之一(另外两个是续航和电耗)。

  但不难看出,今年国家给予它的权重显然低了一些——数值160瓦时/公斤即成为最高档,而且今年对能量密度也没有任何系数加权(去年最高系数为1.1,今年最高为1)。这里到底有什么门道呢?今天我们就来重新聊下能量密度这个话题。

  生活中有太多情况需要让我们面临“鱼和熊掌不可兼得”的选择,对于电池技术和能量密度来说恰恰也蕴含着同样的关系。

  首先,业内针对动力电池常说的能量密度,主要指的是“质量能量密度”,讲的是同等质量下电池组储存的总电量有多大。对于动力电池来说,它固然是重要指标,但却不是唯一重要的那个。

  除它之外,衡量电池性能的主要指标至少还有:功率密度、循环寿命、倍率性能(充放电)、稳定性、一致性等等。这些指标相互依存且对立,基本是此消彼长的关系,其实归结起来就是能量、功率、安全、寿命和成本之间的经典矛盾。


▲围绕电池综合性能的5大关键维度。

  单就能量密度而言,它存在两对最大的矛盾,它们是:

  1、电池能量密度和整车安全性的矛盾;

  2、电池能量密度和功率性能的矛盾;

  怎么理解呢?咱们分别聊一下:

  A、和安全性的矛盾:我搬砖就没法抱你,放下砖就没法养你

  锂电池的性能主要取决于参与电极反应的活性物质,目前锂离子电池能量提升的内在途径主要有两方面:

  1、通过高比能的材料组合来实现(比如网红高镍电池NCM811),以此来提升离子活性,但活性越高又意味着电池的化学稳定性越低,容易发生热失控,降低电池的安全性。

  2、通过结构设计、集成技术来实现,也就是进一步提升轻量化程度、提高组件集成度和增大单体电池尺寸。但如果过多牺牲必要结构件,比如碰撞保护结构和温控系统,无疑也对整车安全性存在影响。

  也就是说,对电芯而言,能量密度上升的同时,电池稳定性会有相应下降,对BMS电控及电池热管理的要求就更高。提升成组电池密度的时候,也不能以降低整体安全性为代价。

  B、和功率性能的矛盾:练长跑的运动员跑不了短跑

  功率性能的主要指标是功率密度,衡量的是同质量或体积下的最大输出功率。通俗点说,能量密度表达了电池的容量大小(单位:瓦时/公斤);功率密度则表达了电池的瞬时动态特性、扭矩优劣(单位:瓦/公斤)。

  理论上,能量密度和功率密度本来是没有必然关系的。但在目前阶段锂电池技术体系下这点却是相互矛盾的:为提高能量密度我们需要提高活性物质的比例,比如提高电极的涂布量,这就导致了功率性能的下降,而为了提升功率密度又需要降低涂布量,增加导电液的比重。

  因此如何能在两者之间达到一个平衡就变得非常困难。这也是为何动力电池可分为功率型电池和能量型电池。

  也就是说,量密度上升的同时,功率性能会下降。

  能量密度不应成为追逐的核心指标

  此前在国家政策的引导下,国内车企和车型把冲刺续航和能量密度捆绑在了一起。动力电池发展有非常清晰的目标路线图,按照国家动力电池技术路线图的规划,2020年,电池单体比能量达到350瓦时/公斤,系统比能量达到250瓦时/公斤,从目前的动力电池技术发展来看,第一点已经很难,第二点更是激进了一些。


▲国家关于动力电池能量密度和成本的规划目标。

  根据某电动汽车研究机构不完全统计,2017年和2018年,国内电动汽车发生的安全事故分别为14起和34起。国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子东在今年年初曾说“目前很多起电动车起火事故都没有找到确凿的原因” 。虽然不能说安全事故一定就和技术指标超速发展有直接关系,但至少算为我们敲响了警钟。

  所以高能量密度电池一定是基于安全可靠、寿命可期、产品一致性有益为前提的。无条件无前提的追逐能量密度,可能损失更多。当然,安全是其中最不容易量化的维度。要通过整个系统去优化,才能把电池的能量、功率、安全性、寿命、成本等平衡到最优。

  最好的做法,是安全可靠排第一

  兼顾续航、性能和寿命

  我们直接来看看对安全、可靠性要求更高的成熟国际化品牌是怎么做的吧——以德系豪华三强中的科技代表奥迪为例——首款纯电动SUV 奥迪e-tron,其百公里加速为5.7秒,NEDC续航超500公里,电池容量也高达95度,唯独能量密度不算突出,仅为135.7瓦时/公斤。单看这个数据,即使以2018年的国家标准来看也不算高,难道奥迪不知道高能量密度和高续航的关系吗?

  当然不是,奥迪只是找到了一整套自己的解决方案,针对电池,它的具体做法是这样的:

  1、加强度极高的壳体结构——这是完全由奥迪自己开发制造,并经过足够的碰撞测试验证后,最终选择的方案。

  上图右上角的铝框架防撞结构算是e-tron电池组的重要特色,碰撞时框架可以分散能量,起到保护作用,电池模组则在其框架内横向布置。电池组的外框架有47%的挤压铝型材料,36%的铝板和17%压铸铝部件组成的。整个电池组重量约700公斤。从95千瓦时的电量来看,因为大量采用铝制部件,并且加强度非常高,所以整个电池组的重量其实控制的还算OK。但正是由于内部防撞结构占据了不少空间,导致能装入的模组及电池数量受限,所以能量密度并不高。

  2、精心设计的电池热管理系统——为了让电池保持在一个合适的温度范围内(奥迪的设定是25-35摄氏度),奥迪为电池组准备了风冷与液冷两种不同的冷却方式,根据使用情况的不同,会采用不同的冷却循环。

  交流充电时,外部电源通过高压充电器与电池相连,在这里高压充电器是主要热量来源,因而奥迪为充电器配备了水冷系统。

  直流充电时外部电源直接与电池相连,因而此时电池是需要降温的主要对象。奥迪没有选择将冷却管道设置在电池模组之间,而是将冷却管道平铺在电池模块下方(有微通道),通过填缝剂、导热凝胶等来帮助电池散热。

  这么做,一来可以让电池模组排列更紧凑,二来在模组之间就可以设置铝合金框架,能够在发生碰撞时引导碰撞能力,减少对电池带来的损害。这里也可以看出,在保证高效能温控的前提下,安全是优先考虑,尽管可能带来更多成本和能量密度的损失。

  而在车辆运行状态时,电池管理控制单元会根据电池的当前温度情况,选择使用风冷或者冷却装置来进行冷却,相当于电池系统整车有4条冷却回路,可根据需要进行切换,分别是压缩机、低温冷却器等组成的回路、集成热泵系统、高压充电装置水冷回路,也同时兼顾了效能。

  最后,奥迪对电芯是怎么考虑的呢?

  3、采用更“适合”的软包电芯,而非密度更大但更危险的圆柱电芯——来自于软包技术领先的的LG 化学欧洲工厂,电芯及模组均由其提供(36个模组,432个电芯),单体能量密度数据不详,但邦老师评估应该不会低。而圆柱电芯密度虽高,但一致性相对难以控制,软包电芯因其内阻小、重量轻、密度高、形状可塑性强的优点(虽然成本还要更高),更受奥迪、奔驰、日产等国际大品牌的青睐。

  综上可见,奥迪e-tron的电池组在几个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间,比起一味地追求很高的能量密度,奥迪选择更能同时兼顾续航、安全、寿命、加速性能的方案。

  对能量密度的追逐暂时可以缓缓了

  相比于续航和安全方面

  在整个2018年,大家还都认为能量密度是个非常核心的参数,对各类车型数据追得不亦乐乎。邦老师也明白,这个指标无疑是提高整车续航和能效的关键指标,但这应该仅限于生产者们的角度。对于广大消费者来说,它只不过是目标实现过程中的一个参考值而已。与其关心这个数值,还不如关心关心你车辆的电耗。在这点上,今年补贴政策的调整邦老师是非常支持的。

  随着主流家用车锁定了400公里+的续航,部分高端车型进入500公里区间,续航焦虑正开始逐渐消除,也该进入全方位发展的阶段了。而在国外,类似奥迪等车企的做法,反倒一直秉持一种很负责任的态度,续航和性能固然重要,但是对于安全和可靠的保证,包括研发阶段足够的技术及产品验证,任何时候都值得给予更大的投入和耐心。

 
关键词: 奥迪 密度 电池

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