关于电动汽车动力电池的不同技术路线浅析

丰田普锐斯的混动系统构型堪称完美，近20年都无需大改，沿用至今。但其在电池类型的选择上，却是另外一番景象——丰田一直以镍氢电池为主，直至第4代普锐斯才提供了锂电池与镍氢电池两个版本，锂电池组，仅有56个Cells，而镍氢电池组则有168个Cells，因此两者在成本价格上相去不远，且输出电压也在伯仲之间，但锂电池组的重量较镍氢电池组轻了16公斤。与锂电池相比，镍氢电池有固有的劣势，可以预见到，丰田在不远的将来，将不得不转为以锂电池为主。

 

而作为对比的通用，则从最原始的BAS系统（皮带助力微混）到插电的沃蓝达、以及SPARK电动车，都坚决采用了锂电池路线。最近看过一篇很有意思的文章《原来特斯拉的电动车技术来自于TA》，文中讲到通用是锂电池路线的倡导者，通用EV1项目的负责人和特斯拉Roadster也颇有渊源。通用涉足电动车的历史可能要追溯到1990年（甚至更早），通用当年推出了一款电动车“Impact”，并提供给用户进行试用。

 

尽管该项目后来搁浅，试用的样车也被尽数回收，但是通过该项目积累了大量的电动车经验和技术，用在后续的VOLT、BEV以及BOLT上。后续从VOLT开始，大规模使用锂电池技术。即使只有0.5kWh电池的上一代君越eAssist，都采用了锂电池，要知道同时代别的微混车都在用铅酸。因此，通用在锂电池应用这一领域可谓占尽了先机，是第一个在所有从混动到纯电动都使用锂电池的厂家。

 

可以说，通用是锂电池车用领域“第一个吃螃蟹的人”，这也是为什么要把通用单独拎出来，作为“锂电池派”的典型。

 

a) 能量密度：

 

电池的主要用途是储存能量，因此能量密度是电池的最重要参数，在这方面锂电池对比镍氢电池有较大的优势。以2012年推出的第三代普锐斯镍氢电池为例，1.3kWh容量，重量却达到53.3kg，能量密度才24.4Wh/kg；而同时代通用推出的VOLT，采用锂电池，电池包容量16kWh，重量为181.4kg，能量密度为88.2 Wh/kg，两者能量密度差了差不多4倍。通用的最新产品，BOLT使用的电池包为LG的层状电池60kWh, 435kg,其能量密度达到了138 Wh/kg，最近上市的君越混动版本，采用了第二代Voltech，使用1.5 kWh电池包，可为60kW和54kW的两个电机提供动力，功率密度可见一斑。从这个角度来看，丰田还停留在中度混合动力的阶段，以短期降低油耗为目的，而对未来的战略并不明朗；而通用是冲着深度混合动力方向去的，甚至为纯电动做好了技术铺垫，混合动力-插电式-纯电动的技术路线已经非常明确。

 

b) 电池容量：

 

从电池容量来说，普锐斯的电池容量仅能提供不到10公里的纯电动行驶，而通用VOLT则可以提供多达60km的纯电动续驶里程。因此，丰田对于电池的思路就是辅助系统，而通用则把电池放到了和发动机同等重要的位置上。也就是说，丰田的混合动力还是以发动机为主，比如研发了阿特金森循环发动机，而通用的混合动力则把电池放在了较为重要的地位。

 

c) 电池管理技术水平

 

从技术角度，锂离子电池系统比镍氢电池系统要复杂，技术难度更大。锂电池虽然能量密度高，使用寿命长，但对温度更加敏感，需要设计复杂的热管理系统。例如，通用第二代VOLT设计了多种模式的热管理系统，可以用废热给电池加热，也可以用空调给电池冷却，设计非常节能和精妙，有效地增加了电池寿命和性能。而镍氢电池对温度敏感性较差，设计简单的热管理系统即可。另一方面，通用锂离子电池包较大（比如VOLT电池容量是普锐斯的十多倍），使用更先进的均衡技术、充放电控制技术等，使得Volt的电池组内的温度差可控制在2°C以内，有力地支持了8年的电池组寿命保证期。

 

通用的凯迪拉克CT6电池管理技术来源于第二代Volt电池管理的技术基础，也充分展示了在电池集成与管理方面的最高水平：由3段96S2P电池（96个电芯Cell，每个电芯包含2个电芯对Cell Pair）组成，外部由高压压铸铝板进行相应的保护，内部还包含必须的高低压线束以及散热管Thermal Plumbing，并在电芯间加入了水冷散热鳍片，模块化设计使得可以灵活配置电池组的外形与容量。

 

多个电芯组成的电池组

 

作为一名工程师，在我看来，特斯拉的电池管理水平已不低，但在通用这种“老司机”炫技一般的水平看来，还是略显稚嫩。不仅特斯拉，丰田在电池管理技术上的投入也较少。锂电池派与镍氢电池派在电池管理水平上的差距，主要是由于丰田认为电池处于辅助地位，自然投入的研发成本较低，以投入性价比为主；而通用则认为电池是动力系统的半壁江山，对电池及其管理技术进行了深入研究。

 

不知道为什么，看到通用的双行星齿排系统与电池管理系统，令人眼花缭乱，让人感叹鬼斧神工，这总是让我想到另外两个工程师向往的企业：摩托罗拉与索尼。不管怎么说吧，这技术水平是杠杠的。

 

2. 层状锂电池 vs 圆柱形锂电池

 

虽然题目是混动流派之争，但我还是忍不住要和特斯拉的电池对比一下。无论混动还是纯电动，电池技术是大体相通的，因此应该不算是跑题。

 

这两三年来，经常有人问，特斯拉的电池管理算法太厉害了，可以使电动汽车跑400公里，而一般的电动汽车跑一两百公里就不行了啊，那他们的电池管理算法究竟是怎么厉害的啊？

 

首先，必须承认把几千节电池组成电池包来用，确实挺牛的，但是特斯拉跑得远真的和电池管理算法关系不大，主要是电池塞得多…… 而这样的回答，一般都不能让提问者信服，这不得不说是特斯拉营销的成功，让普罗大众相信“算法是可以发电的”。

 

圆柱形电池与层状电池相比，缺点是非常明显的：

 

a)       体积利用率：圆柱形电池在成组时必然会比层状电池占用更大的空间，从而影响车内总体空间。

 

b)       热管理难度：层状电池的接触面积较大，更有利于散热和电池单体之间的热平衡，BOLT的电池包可以控制单体温差在2度之内，对电池的一致性和耐久性有很好的提高。

 

c)       一致性与可靠性：特斯拉Model S一共有7000多个单体，而VOLT上只用了288个，单体太多导致的失效增加以及一致性问题，可能会随着时间的推移而慢慢显现出来

 

事实上，特斯拉之所以使用18650电池，更多出于价格和商务而不是技术上的考虑，当时松下急于寻找合作伙伴，因此报出了低于成本的价格。而GM的全球供应商体系较为完善，话语权也较多，因此有较大的空间去选择技术上更先进的供应商。

 

3. 电池路线之争的核心问题：电池安全

 

这里就要特别提到电池路线之争的核心问题：电池安全问题。别看电动汽车发展得如火如荼，在量起来后频发的着火爆炸事故有可能使这个行业倒掉；别看特斯拉如日中天，如果集中爆发安全问题引起集中召回与赔偿，企业也很难撑往住。

 

简而言之，安全问题就是汽车企业的黑天鹅。忽视安全问题，也许像是挣脱了枷锁，可以发展得更快，但也面临着发展道路戛然而止的风险(也可能风险未爆发，从而取得先机，这叫“机会主义路线”)。而特斯拉在这方面，不得不说是有点冒进的：

 

下图1是特斯拉的BMS，可以看出来左右两个接插件都不是汽车级的，中间的两个插排更像是调试接口，而不是产品，这种接口在IT上经常使用，但是能否适应车辆的恶劣环境还待考证。

 

使用的芯片方面，特斯拉的IT基因促使他们使用了一些IT行业的芯片，比如DSP、ARM、FPGA等。而通用则完全使用传统的汽车级芯片，单片机一般都是飞思卡尔，硬件设计满足ISO26262的ASIL C等级。

 

在高压安全方面，通用的方案是使用MSD（Manual Service Disconnect），就是下图这个黄色的接头，这个黄色接头可以从物理上断开电池包和外界的高压，保证维修人员的安全。所有和高压安全相关的信号，都采用了双路备份处理，甚至专门为了电池管理系统设计了双路CAN总线的冗余备份，确保高压安全万无一失。