电池越多、续航时间越长吗?影响电池续航的因素有哪些?
影响因素主要有三点:
一点是能量密度,说白了就是一公斤重的电池第能装多少电。当前主流的有三元锂电池和磷酸铁锂电池,各有优劣,但能量密度是三元锂高,这也是特斯拉(以及很多其他车厂)选用的锂电池。相比于磷酸铁锂电池的车,就能多跑一段。
第二点是体积/体积密度,说白了就是一立方米电池能装多少电,以及一辆车有多少空间可以装电池。特斯拉用的是圆柱电芯,拆开了就像我们平时用的五号电池类似。圆柱电芯有个缺点,就是排列在一起,圆柱和圆柱之间的空隙总是存在,降低了电池的体积密度,所以现在主流的电池厂都在生产方形电芯,确保没有体积浪费。
但是,特斯拉用它的设计弥补了体积密度的劣势。它的汽车设计,留下了巨大的电池空间。其他的电动车都是车后一个电池包,特斯拉是整整一层底板都是电池组。而其他常见的电动车无法做到这一点,或者没必要做到这一点。无法做到这一点的车,是那些从燃油车改图纸改成的电动车,简单而言就是抠了油箱发动机装电池电动机,所以没有足够的空间。而大部分国内的从头开始设计的电动车则没必要留出那么大的空间。为什么没必要,往下看。
而特斯拉,一来它本身没有中国的新能源车补贴,不用考虑政策问题,二来它的市场定位也不是走性价比路线,所以可以有钱任性地堆电池包。
为什么特斯拉靠锂电池就能达到 500 公里续航,而国内的车型续航里程一直很低,直到今年才推出长续航能力的产品,我认为其主要受2大因素影响,一是内因:产品本身的技术能力局限,二是外因:政策、市场的导向作用。产品本身的原因大家很多网友都给出了相对靠谱的解释,这点咱们稍后详谈,我想先谈谈经常被人忽视的一个原因——政策、市场的导向作用。
一、政策的主导作用
大家要明白企业不是慈善机构,它所推出的每款产品都是为了赚钱,额…,准确的来说是赚更多的钱。2017年以前国家对新能源车补贴力度那是相当的大啊,从图就能看出,续航里程100~150km的补贴是2万/台(一般地方补贴会按1:1的比例再给优惠),而续航里程大于250km的补贴金额仅4.4万/台,也就意味着像一台续航500km的Tesla仅能拿到4.4万。而它的电池成本是续航里程100km的电池的5~7倍。国内的汽车厂商数学当然不差,肯定愿意制造续航在150km左右的车,从而获得性价比更高的补贴。这种“坑人”的车比如知豆D2、北汽EC180、众泰E200等。由于2018年国家调整了补贴方案,原来的套路已经不挣钱了,所以推出长续航里程的车型才是王道,比如今年新推的吉利帝豪EV450、北汽新能源EU5(续航550km),已经和大家见面啦。
二、消费人群的转变
由于雾霾的日严重,北京机动车尾号限行政策是从2014年开始执行,刚开始实施时大多数人对新能源汽车处于观望态度,主要的疑虑时续航里程和充电桩的问题。但我的朋友,一位高校教授宋老师就是少数吃螃蟹的人。她在2015年购买了北汽新能源EV150, 25.6kwh的电池组,综合里程为150km。宋老师的生活是典型的学校、家、孩子幼儿园三点一线的行程,意味着她每天在朝阳区固定的80km里程,而且家里还有一天SUV,周末郊游、北京周边出差办事换成汽油车就好,所以宋老师当初觉得EV150够用,就购买了一台。当时如果推出长续航的车型完全没有市场,没有购买人群,主机厂当然不会花高额的研发成本来推出长续航能力的车型了。
因此在2017年以前,新能源车的主要客户体是家里已经有一台车,再买一台电动车方便生活的中产阶级。但是2018年以后,人们发现摇号是一场无期的等待,而且6月15日北京交通又推新规-《关于对部分载客汽车采取交通管理措施的通告》,外地车牌以后一年只能办12次的非人类政策。怎么办?赶紧抢一台新能源车才是王道。所以当前的购买主力已转向了家庭首台车的工薪阶层。因此续航里程一定要大,再大一点。主机厂早就嗅到了商机,今年各大厂商顺应潮流推出了高续航里程的产品。例如端荣威Marvel X(续航403km)吉利帝豪EV450(续航450km)、北汽新能源EU5(续航550km)。更虐的是北汽竟然投资百亿元推出“擎天柱计划”,EU5科实现3分钟完美换电池包,真是打消了消费者的最后一丝顾虑,能不大卖都不行。所以消费需求导向也决定了电动车的续航里程。
Tesla是按照纯电动汽车的架构来设计车身的,最大化的给电池留出设计空间,也就意味着电池在同等大小的车型里可以拥有更过的容量空间。而我们国内的很多车企都是“油改电”的车型,纯电架构的不多,传统车身结构限制了电池的设计和布置,在很大程度上影响了电池容量的提高。
如Tesla、ES8、拜腾这些新企业,用全新的开发的电动车平台造车,首先考虑电池组结构,可以最大化的给电池留出设计空间,也就意味着电池在同等大小的车型里可以拥有更大的容量空间。而不少传统车企造电动车,为了抢夺国家对新能源的补贴,快速的推出多款新能源车型,来赚的盆满锅满。但是其以燃油车型为基础“改装”为新能源车,不仅需要避开原有底盘、线束结构,同时要顾及车内座椅、副仪表安装孔等,简直是夹缝中求生存,这项限制在很大程度上影响了电池的布置和容量的提高。于是大部分“改装车”的底盘呈现“T”字形电池包布置方案,主要布置在中央通道和后座椅下方的位置。例如上汽的荣威RX5和ERX5,北汽的爆款EU260和绅宝D50,都是以同款汽油车改装而成,是不是有点除了动力系统外,都是一样的味道。它们由于空间的局限,增加电池容量的唯一希望便寄托在行业电芯能量密度的提升。
另外,还有个因素就是整车的重量和风阻设计。与钢质车身相比,铝质车身要比钢质车身轻30%~40%,而车身占整车的质量的40%~50%。特斯拉采用的是全铝车身,缺点就是全铝车身对焊接的工艺更高,成本也更高。此外,汽车的外形和车身比例对空气阻力的影响占40%,Tesla流线型的外形设计铝制导流效果好,从其把车门手柄都做成隐藏式的结构,你就知道为了降低风阻系数Tesla的工程师有多拼。
三、强大的动力电池系统
最后,我们再聊聊影响续航里程最直接的问题-电池。动力电池系统是整车的能量来源,其包括电芯(模组)、BMS(电池管理系统)、结构件(箱体安装件等)、高低压线束、热管理系统五大部分。其中电芯(模组)技术、BMS、热管理系统成为了其核心。
1、电芯(模组)技术
Tesla在电芯、模组的重视程度和投入程度可所谓空前绝后的,其与松下开发出的18650圆柱型锂电池,很好的解决了高能量密度和安全性的这个难题。以Model S为例(上市时间2017.4),其电池箱是由将近7000节18650圆柱型锂电池组成,电池容量100kW·h,重达900公斤。这个电池组的优势在于远超同时期行业平均水平的电芯能量密度,Model S选用的三元正极材料的电芯能量密度达到252Wh/kg,电池组能量密度也能达到152Wh/kg。这个道理就如同肌肉和脂肪,20斤的脂肪放在肚子上就是一个大肚腩,而20斤的肌肉也就如同健身达人的4块腹肌。国内一线的锂电供应商有CATL、比亚迪、比克等,它们水平决定了整车锂电的技术能力,以CATL为例,2014年电池单体(电芯)的能量密度仅为153 Wh/kg,直到2018年才推出258 Wh/kg,才刚刚赶上Tesla的脚步。所以供应商技术水平限制、无法提供高性能的锂电池也是国内车企迟迟推不出 500 公里续航的车型的内在的一个原因。
2、热管理系统
锂离子在充放电过程中20oC~30oC为最佳工作温度范围,0oC~45oC内锂电基本能保持其正常的充放电,20oC~30oC为最佳工作温度范围。但是当温度 >45oC时,电芯内部锂盐LiPF6开始分解、SEI膜发生分解,同时会放出大量的热。轻则使使有机物发生分解释放CO2(这就是大家经常看到的手机鼓包的原因),电池容量降低,重则产生热失控,发生自燃、爆炸等。而温度低于0 oC,锂离子在电池内的迁移速率就会降低,同时会消耗自身的一部分能量用来提高反应温度,就会降低电池使用容量(冬季你是不发现电动车刚充满的电没开几分钟,电量掉了一大截)。所以,热管理系统(通过冷却和加热的方式对电池系统进行温度控制)的好坏直接决定了你的实际续航里程。下面我给出了目前热管理系统主流冷却、加热方式。据内部可靠消息来源,Tesla Model S采用的是集成液冷和液热的方案,其优点在于冷却、加热效率高,集成度高,当然也结构更为复杂成本更高。所以只有掌握了优秀热管理系统的技术,才能管理能量密度更高、数量更多的锂电。2017年以前在我们国内企业技术水平还达不到那么高的要求,在保证安全的前提下,还是选用小容量的电池包方案更能通过国家3C审核。