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电池知识

该如何评价新能源汽车的电池性能和安全性?

来源:宝鄂实业    2019-05-17 15:02    点击量:
最近关注新能源车,发现车上最重要的电池部分,有三元锂电池,也有磷酸铁锂电池。这有什么区别,好难选啊

该如何评价新能源汽车电池的性能和安全性?这个问题太大,我们认为应该从两个层次进行分析:
1、单体电池

2、电池系统

 

一、新能源汽车电池是一个系统工程

影响电池性能和安全性的不仅仅是电池材料,还与电池组、动力系统、整车等有关。

 

这就好比你去一家餐馆点了份宫保鸡丁,马上回来提问,如何评价宫保鸡丁中鸡肉的味道?我只能勉为其难地说:“这份宫保鸡丁味道还行”。

如果把电池系统比喻为宫保鸡丁这道菜,电池就相当于菜中的鸡肉。在评价的时候应该评价这道菜的口味怎么样,而不是鸡肉新鲜不新鲜,单个原材料是很难决定一道菜的品质。

电池在整车里面工作,会牵涉到如电池管理系统(BMS)、负责电池系统的团队、整车开发之间的匹配和协调。

举个栗子

特斯拉的电池在新能源车领域一直处于领先水平,不仅单体容量小,而且成熟、稳定、一致性高。

除了电池的优异性,特斯拉的电池管理系统(BMS)也相当不错。

据说Model S的电池组由7000+节的电池组成,其BMS可以提供精确的电池健康状态预估技术、诊断预警技术、电池平衡管理技术。

每个18650电池都有导热的管路,并且管路多采用绝缘带进行包裹,以防电池与外壳发生短路
每一组电池组都有独立的电池管理系统,在电池板的输出端同样有电池板的电池管理系统

由于BMS的不同,即使其他纯电动汽车电池容量相同,在续航、电池寿命、充电时间等方面的表现也不如特斯拉。

 

二、电池的多维度性能平衡

如果你的电池系统已经非常成熟,各个部门之间协调度高,这时候就需要从各大电池供应商采购符合整车要求的电池。

厂家一般会综合的把各个参数绘制成蜘蛛图,然后根据实际的情况来选择:

考核电池基本性能的蜘蛛图

大家玩NBA2K的时候,也会根据比赛的实际情况和球员的特点安排上场。

比如场上比分焦灼,球队陷入了进攻停滞,这时候需要一个投射能力强,可以带动全队的球员,通过下图可以分析,斯蒂芬·库里在场均得分、助攻和抢断方面则优于小乔丹,所以,如果你是教练,这时候应该换上库里了。

那上一个仅仅是得分超强的球员呢,后果可能是防守端败下阵来。

选电池和选球员时一个道理,没必要为了其中的一个续航性能而增加电池数量或者加大能量密度。 

因为一是制造出来的车价格非常贵,老百姓买不起,二是在安全方面也很难把控。只要在特定的场景下选择合适的电池即可。

 

对电池的参数,我们简单解释下:

1、能量密度

电池的能量密度,指单位重量或者单位体积内包含的能量。这个指标是越大越好,毕竟浓缩的都是精华嘛。当然,这是理想状态,实际上,能量密度会受制于各种因素。

比如随着能量密度的提高,电池的安全性和安全冗余边界将会受到限制,这时候对于车辆而言,需要做更多的工作。

能量密度还会直接和补贴挂钩,2017年新能源汽车补贴政策明确指出:

纯电动乘用车动力电池系统的质量能量密度不低于90Wh/kg,对高于120Wh/kg的按1.1倍给予补贴。

 

2、充放电倍率

是指电池以多快的速度储存电能,又以多快的速度释放电能。

同样的一桶水泼在头上,轻轻地倒和猛烈地倒,爽的程度是不一样的。

充放电倍率指标在新能源车的日常使用中,也显得尤为重要。

假如你开了一辆新能源汽车去约会,半路没电了,充电倍率又特别低,2小时充电才能保证到达目的地,那姑娘早生气离你而去了。

特斯拉Roadster 2,据说在电机没有大幅度性能提升的同时,用牺牲车内空间的方式,塞入了200kwh的电池,打造出了一台性能怪兽。当时还有人质疑,为什么会采用这么大的电池?

其实特斯拉不是为了续航,而是放电。2.1s破百,10000N·m扭矩,与高放电倍率是分不开的。

 

3、电池寿命

寿命,是动力电池应用在汽车上最为关键性指标之一。对于普通家庭用车来说,目前市面上动力电池的寿命都远远超过了消费者实际的使用习惯,因此对于寿命问题,消费者可以完全放心。

 

4、高低温性能

包括低温性能和高温性能,我们一般表征电池的工作温度,而工作温度与电池的功率输出却有直接关系。

比如我们要设计一辆电动除雪车,这车面向俄罗斯,中国东北,日本北海道市场,那么选择电池时就对低温性能格外关注,而高温性能可以适当舍弃。

 

5、安全性

曾经某品牌手机电池起火爆炸事件,将锂离子电池的安全性问题推到了风口浪尖,这个问题也是消费者最直观,最关心的。

动力电池的安全性要从电池和系统两个层次进行分析。电池材料安全,并不代表造出来的车就是安全。

除了电池最基本的电化学体系以及电极、电芯结构、设计之外,还与电池管理系统、工作温度范围、新能源汽车的合理使用条件等有关。

 

三、磷酸铁锂电池VS三元锂电池

下面针对楼主的提问,结合以上两个层次的分析,看下目前市面上使用率最高的两款动力电池——磷酸铁锂和三元锂电池孰优孰劣?

 

1、市场分析

●市场规模

 

2017年中国锂电正极材料产量占比

通过起点研究院了解到,2017年,锂电正极材料产量中,总产量8.6万吨,同比增长58.38%,而磷酸铁锂2017年总产量5.8万吨,同比增长基本持平,只有1.75%。

三元材料成为增长最快,占比最多的正极材料。

●产能规划

我们再来对比下2016年和2017年四家动力电池厂商的产能规划

从上图可以看出,一直“钟爱”磷酸铁锂电池的比亚迪,在2017年保持磷酸铁锂产能不变的情况下,加大了三元锂电池的产能。

比亚迪在18年媒体答谢会上也表示,未来旗下的 e5、秦 EV、宋 EV 这三款纯电动车型均会换上全新的三元锂电池组,这说明比亚迪在乘用车领域已经放弃了引以为傲的磷酸铁锂电池了。

 

2、性能分析

●能量密度

数据表明,磷酸铁锂电池的能量密度远不及三元锂电池,但却比三元锂电池有更好的安全性。

经过了解,目前磷酸铁锂单体电池的密度在110-120Wh/kg,行业巨头比亚迪据说能做到150Wh/kg。

三元锂电池却可以轻松破200 Wh/kg,比如特斯拉采用的松下18650三元锂电池,能量密度就达到了233Wh/kg。

因为能量密度和国家新能源乘用车补贴直接挂钩,多数使用磷酸铁锂电池的车企想拿到1.1倍补贴(2017年标准,能量密度需达到120Wh/kg)难度确实不小。

●充放电倍率

放电性能测试:

从上图可以看出,相同体积电池,正极使用三元材料比使用磷酸铁锂材料放电容量高,这说明,三元材料放电有较大优势。

充电性能测试:

当充电≤10C(1C=7.5A)时,三元材料电池与磷酸铁锂材料电池恒流充电容量/总容量比例无明显差距;

当充电>10C(1C=7.5A)时,磷酸铁锂电池恒流充电容量/总容量比例较小,充电倍率越大,恒流充电容量/总容量比例与三元材料电池差距就越明显。

由此可见,三元锂电池在充放电倍率方面都要优于磷酸铁锂电池。

 

●电池寿命

实验数据表明(下图),三元材料电池循3900次剩余容量66%,磷酸铁锂电池循环5 000次剩余容量84%,由此可见,磷酸铁锂电池比三元锂电池有更长的循环使用寿命

磷酸铁锂VS三元锂电池1C常温循环

大家也不用担心,如果一辆纯电动汽车续航为250km,你每天上下班里程40km,基本上4-5天充一次。循环充电1000次,可以用8-10年左右,这也到了大多数车报废的时间了。

并且,如荣威ERX5,还承诺电池8年20万公里衰减不超过30%。目前,这项质保在国内还是唯一的。

●高低温性能

我们看一组磷酸铁锂电池与三元锂电池在不同温度下的对比:

相对25℃容量”是指不同温度条件下放电容量与25℃时放电容量的比值。该数值能够准确反映出电池在不同温度条件下续航的衰减,越接近100%,电池表现越好。

从上图中能够看出,以25℃为基准常温,两类电池在高温55℃与常温25℃下,放电容量几乎没有差别。但在零下20℃时,三元锂电池的表现就明显优于磷酸铁锂电池。

 

3、安全分析

要从两方面说下电池的安全性,一是电池材料,二是国家标准。

●电池材料

三元锂和磷酸铁锂材料在达到一定温度都会发生分解,只不过三元锂材料会在200度左右发生分解,磷酸铁锂材料则需要800度。当发生分解时,三元锂材料中的化学反应会更加剧烈。由此可见,三元材料相比磷酸铁锂确实存在安全性较差的问题,但我们仍然可以采取许多技术来提升三元材料的安全性。

其实电动商用车的安全绝不是不使用三元材料动力电池就可以提高的,如深圳电动公交车充电时起火、杭州某公交着火事故用的都是磷酸铁锂电池。

这说明单体材料安全性并不能代表动力电池系统或整车的安全性。

厂家为了提高电池的安全性能,还通过包括海水浸泡,针刺火烧等严苛考验的硬件测试,软件方面则以ASIL-D为设计目标。其中的软硬件所有内容都通过UL2580标准。

●国家标准

俗话说,无规矩不成方圆,即便电池及电池系统做的再好,也难免不出现安全隐患及事故。

2018年1月24日,工信部发布了《关于征求《电动汽车安全要求》等3项强制性国家标准(征求意见稿)意见的通知》。这就相当于把电池安全予以统一强制量化,设置一个最基本的安全底线。

 

小结

三元材料电池在能量密度、低温性能、充放电倍率方面有优势

磷酸铁锂在安全性能、电池循环寿命方面要好于三元材料电池

 

在选用电池材料时,则需要根据不同用途进行选择:

●电动大巴车:空间大,只在固定城市中行驶,可以不注重能量密度,而选择循环寿命、安全性能较好的磷酸铁锂材料电池;

●电动乘用车:因为行驶环境复杂,车身空间有限,日常使用频率高,所以可选择能量密度大、低温性能和充放电倍率好的三元材料电池。

 

随着国家对新能源汽车补贴的规划,越来越多新能源车的续航会有一个质的提升。比如采用三元锂电池的荣威光之翼会达到400+km的续航。

因为能量密度低的本质,磷酸铁锂在未来新能源车中被采用的比例会越来越小。如果只通过增加电池数量来提高续航势必会增加车身重量,百害而无一利。

四部委关于印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》的通知中也指出,到2020年,新型锂离子动力电池单体比能量超过300Wh/kg,使用环境达-30℃到55℃。

预计在未来的一段时间内,具有能量密度高、低温性能优异的三元锂电池内会成为乘用电动车的主流,将在市场上占据主导地位,这个技术路线也已经是业界共识了。


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