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        看完讓你完全搞懂新能源車電池
        來源:www.azrani.com 發布時間:2019年09月05日
        看完讓你完全搞懂新能源車電池


        只要是對如今新能源汽車有一定了解的人都知道,目前電動車技術發展最大的壁壘,就在于電池技術難以取得突破……

        由于電池的制造成本高居不下,大部分電動車的續航里程都無法在有限的成本里獲得大的提高,使得它的應用范圍大大受限,相比傳統的燃油車競爭力也大打折扣,各國政府不得不花大力氣補貼新能源車。

        所以電池對于新能源車的重要性,幾乎等同于發動機、變速箱對于傳統燃油車的重要性。這一次,我們就盡可能通俗易懂地帶大家認識下目前的車用電池。

        討論新能源車的電池,我們會關心些什么?

        如果你身處在一個限購的一線城市,我想你十有八九會去考慮買一臺新能源車,甚至是純電動車。而由于一臺電動車的每公里耗費成本,一般也就只有同等尺寸汽油車的十分之一左右,所以耗電量基本不會成為你的首要考慮因素。并且電動車大多有著強悍的加速能力,在市區通勤也不需要跑很快,所以功率、扭矩也不是最重要的。但是大部分人買車除了用于日常代步通勤之外,有時候還要跑一些中長途的路程,這時候單次充電的續航里程就成為了非常重要的掣肘了。

        想要續航里程足夠長,肯定就要優先考慮配盡可能大容量的電池,然而電池本身是有體積的,車上放電池的空間也是有限的。所以對于車載電池來說,最重要的性能參數,無疑就是能量密度。另外,可以承受的充放電的功率、電壓、效率、使用壽命等也是非常重要的考慮因素。

        能量密度的衡量方式分為兩種,一種是體積能量密度(Wh/L),另一種是質量能量密度(Wh/kg)。另外,由于一臺電動車使用的電池,往往是由許多個電芯通過串并聯組成的電池包或者電池組,通過電池管理系統(BMS)來進行集中管理,有著轉化的效率之分。所以單體電芯的能量密度和整個電池系統的能量密度會被單獨討論。

        為了滿足總布置的需求,大部分車廠都會選擇采購供應商的電芯,自行設計、封裝電池系統。

        電池有多少種?

        相信很多人都聽過特斯拉的鋰電池,或者比亞迪的鐵電池,其實它們都不過是這類新能源車電池當中的一種。電池的分類可以說是五花八門,從結構上看,新能源車采用的電芯,基本可以劃分為三種:方殼電池(Prismatic),軟包電池(Pouch)和圓柱電池(Cylindrical)。

        但如果按照材料構成的劃分的話,電芯的分類就復雜多了,一般按照正負極的材料來區分,包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池等,甚至還有鋅空氣電池、超級電容器等一些不太主流的電池。其中,鉛酸電池實際上就是目前很多傳統汽車在用的蓄電池,由于成本相對比較低,目前還會應用在一些低速電動車上,不過它已經過時了。

        當前最普遍的,就是鎳氫電池和鋰電池。

        鎳氫電池全稱是金屬氫化物鎳電池,有方形的也有圓柱形的,因為正極采用鎳氫化物、負極采用儲氫合金,并采用氫氧化鉀為電解質而得名。它一般用于常規的混合動力車,目前豐田系的凱美瑞雙擎、卡羅拉/雷凌雙擎等用的就是這種鎳氫電池。

        而鋰電池則是當下新能源車的主流了。實際上它應該稱之為鋰離子電池,正極采用的材料不是單純的鋰,而是鋰的化合物,對電芯的能量密度影響比較大。而負極材料大多是可以嵌入鋰離子的碳材料,目前大多數用的是石墨,未來有可能會采用硅碳材料。而電解質采用的是有機物。它同樣可以分為方形和圓柱形的封裝形式。電芯的結構和原材料組成的不同,對電芯的能量密度都有比較大的影響。

        新能源車的主力——鋰電池

        曾經,鋰電池多以錳酸鋰、磷酸鋰、鈷酸鋰等二元化合物為主。如今主流已經發展到了采用三元鋰化合物了,也就是所謂的三元鋰電池。三洋、松下、索尼、LG、三星等世界上主流的電芯廠商,都已經推出了自己的三元鋰電池。

        當下主流的三元鋰電池,包括磷酸鐵鋰(LFP)、鎳鈷錳(NCM)和鎳鈷鋁(NCA)等類型。比亞迪對外宣傳的鐵電池當中,就包含了磷酸鐵鋰電池(LFP),雖然它的安全性比較高、價格便宜,但是儲能密度是三元鋰電池中最低的,只有135Wh/kg左右的水平,大多用在客車上,基本沒什么發展前途了。

        當前各大廠商的主要熱點,都在鎳鈷錳(NCM)和鎳鈷鋁(NCA)兩種上。

        比亞迪E6采用的是磷酸鐵鋰電池(LFP)

        鎳鈷錳(NCM)鋰電池由于穩定性高、成本相對較低,成為了大多數傳統汽車廠商的首選。根據三種元素之間的比例,鎳鈷錳(NCM)鋰電池可以分為111 / 523 / 622 / 811等多種類型。鎳的含量越高,電芯的比容量就越高,能量密度也就越大,同時昂貴的鈷的比例也會相應降低,帶動電芯成本下降,這也是高鎳電芯發展趨勢的重要原因。顯然,811是當中鎳比例最高的,能量密度可以達到200Wh/kg以上的水平,目前各大廠商都在爭相采用,但是鎳的比例已經很難再大幅提升了。

        雪佛蘭Bolt EV的電池組,采用鎳鈷錳(NCM)鋰電芯

        而特斯拉上用的松下圓柱電芯,就是鎳鈷鋁(NCA),和筆記本電腦所用的電池類型一樣。鎳鈷鋁(NCA)鋰電池擁有比鎳鈷錳(NCM)更高的能量密度,但是穩定性和成本方面目前還不如鎳鈷錳(NCM)。MODEL S上用的是圓柱形18650電芯,這也是了解特斯拉的人聽過最多的,能量密度大概在 250 Wh/kg左右。特斯拉目前最新的車型MODEL 3,已經往同為圓柱形的2170電芯過渡,電芯的能量密度能達到 300 Wh/kg 。

        硅碳負極的應用也是提升能量密度的一個重要手段,而特斯拉則是目前第一家成功應用硅碳負極材料的汽車廠商。

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        Tesla Model S的拆解電池包,采用鎳鈷鋁(NCA)鋰電芯

        電池組的封裝

        車用的電池組因為電容量巨大、所需的驅動電壓很高,所以形式上都是由大量的電芯通過串并聯的方式連接在一起后封裝的電池包。不同的電芯形狀、容量、工作環境等要求,以及整車留給電池包的布置空間、底盤高度、冷卻條件等限制,都會對電池組的最終封裝形式產生重要的影響。所以同類型的電芯才會有不同形狀,來滿足汽車廠商提出的布置要求。

        A123的動力電池箱爆炸圖

        一般來說,電池組里的電芯會分為多個模組,模組內的每個電芯之間隔有冷卻片,一般通過焊接的方式連接引腳,再用絕緣海綿和框架將整個模組打包,最后根據實車的布置空間來安放不同的模組,外部再加一個保護殼封裝,就大概形成一個整車的電池組了。當然,電池組內部還會有專門的電池管理系統,通過內置的溫度傳感器、電壓檢測線路等方式,根據溫度、電壓等調控電池組的運行,保證電池組的安全、延長使用壽命。

        駕仕總結:

        可以預見的是,無論是單體電芯還是電池組,能量密度都在不斷提升,電池成本也在快速下降。因此,未來新型電動車的續航里程還會不斷增加,價格也將會不斷下降,直到對燃油車形成強大的、正真的壓力為止。


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