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淺談電動汽車動力鋰離子電池的不同技術路線

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2024年01月16日  

1.鋰離子電池路線vs鎳氫電池路線


正如談純電動避不開特斯拉相同,談混合動力的時候,也都要和豐田普銳斯進行比較。


豐田普銳斯的混動系統構型堪稱完美,近20年都無需大改,沿用至今。但其在電池類型的選擇上,卻是另外一番景象豐田一直以鎳氫電池為主,直至第4代普銳斯才供應了鋰離子電池與鎳氫電池兩個版本,鋰離子電池組,僅有56個Cells,而鎳氫電池組則有168個Cells,因此兩者在成本價格上相去不遠,且輸出電壓也在伯仲之間,但鋰離子電池組的重量較鎳氫電池組輕了16公斤。與鋰離子電池相比,鎳氫電池有固有的劣勢,可以預見到,豐田在不遠的將來,將不得不轉為以鋰離子電池為主。


而作為比較的通用,則從最原始的BAS系統(皮帶助力微混)到插電的沃藍達、以及SPARK電動汽車,都堅決采用了鋰離子電池路線。最近看過一篇很有意思的文章《原來特斯拉的電動汽車技術來自于TA》,文中講到通用是鋰離子電池路線的倡導者,通用EV1項目的負責人和特斯拉Roadster也頗有淵源。通用涉足電動汽車的歷史可能要追溯到1990年(甚至更早),通用當年推出了一款電動汽車Impact,并供應給用戶進行試用。


盡管該項目后來擱淺,試用的樣車也被盡數回收,但是通過該項目積累了大量的電動汽車相關經驗和技術,用在后續的VOLT、BEV以及BOLT上。后續從VOLT開始,大規模使用鋰離子電池技術。即使只有0.5kWh電池的上一代君越eAssist,都采用了鋰離子電池,要了解同時代別的微混車都在用鉛酸。因此,通用在鋰離子電池應用這一領域可謂占盡了先機,是第一個在所有從混動到純電動都使用鋰離子電池的廠家。


可以說,通用是鋰離子電池車用領域第一個吃螃蟹的人,這也是為何要把通用單獨拎出來,作為鋰離子電池派的典型。


a)能量密度:


電池的重要用途是儲存能量,因此能量密度是電池的最重要參數,在這方面鋰離子電池比較鎳氫電池有較大的優勢。以2012年推出的第三代普銳斯鎳氫電池為例,1.3kWh容量,重量卻達到53.3kg,能量密度才24.4Wh/kg;而同時代通用推出的VOLT,采用鋰離子電池,電池包容量16kWh,重量為181.4kg,能量密度為88.2Wh/kg,兩者能量密度差了差不多4倍。通用的最新產品,BOLT使用的電池包為LG的層狀電池60kWh,435kg,其能量密度達到了138Wh/kg,最近上市的君越混動版本,采用了第二代Voltech,使用1.5kWh電池包,可為60kW和54kW的兩個電機供應動力,功率密度可見一斑。從這個角度來看,豐田還停留在中度混合動力的階段,以短時間降低油耗為目的,而對未來的戰略并不明朗;而通用是沖著深度混合動力方向去的,甚至為純電動做好了技術鋪墊,混合動力-插電式-純電動的技術路線已經非常明確。


b)電池容量:


從電池容量來說,普銳斯的電池容量僅能供應不到10公里的純電動行駛,而通用VOLT則可以供應多達60km的純電動續駛里程。因此,豐田關于電池的思路就是輔助系統,而通用則把電池放到了和發動機同等重要的位置上。也就是說,豐田的混合動力還是以發動機為主,比如研發了阿特金森循環發動機,而通用的混合動力則把電池放在了較為重要的地位。


c)電池管理技術水平


從技術角度,鋰離子電池系統比鎳氫電池系統要復雜,技術難度更大。鋰離子電池雖然能量密度高,使用壽命長,但對溫度更加敏感,要設計復雜的熱管理系統。例如,通用第二代VOLT設計了多種模式的熱管理系統,可以用廢熱給電池加熱,也可以用空調給電池冷卻,設計非常節能和精妙,有效地新增了電池壽命和性能。而鎳氫電池對溫度敏感性較差,設計簡單的熱管理系統即可。另一方面,通用鋰離子電池包較大(比如VOLT電池容量是普銳斯的十多倍),使用更先進的均衡技術、充放電控制技術等,使得Volt的電池組內的溫度差可控制在2C以內,有力地支持了8年的電池組壽命保證期。


通用的凱迪拉克CT6電池管理技術來源于第二代Volt電池管理的技術基礎,也充分展示了在電池集成與管理方面的最高水平:由3段96S2P電池(96個電芯Cell,每個電芯包含2個電芯對CellPair)組成,外部由高壓壓鑄鋁板進行相應的保護,內部還包含必須的高低壓線束以及散熱管ThermalPlumbing,并在電芯間加入了水冷散熱鰭片,模塊化設計使得可以靈活配置電池組的外形與容量。


多個電芯組成的電池組


作為一名工程師,在我看來,特斯拉的電池管理水平已不低,但在通用這種老司機炫技一般的水平看來,還是略顯稚嫩。不僅特斯拉,豐田在電池管理技術上的投入也較少。鋰離子電池派與鎳氫電池派在電池管理水平上的差距,重要是由于豐田認為電池處于輔助地位,自然投入的研發成本較低,以投入性價比為主;而通用則認為電池是動力系統的半壁江山,對電池及其管理技術進行了深入研究。


不了解為何,看到通用的雙行星齒排系統與電池管理系統,令人眼花繚亂,讓人感嘆鬼斧神工,這總是讓我想到另外兩個工程師向往的公司:摩托羅拉與索尼。不管怎么說吧,這技術水平是杠杠的。


2.層狀鋰離子電池vs圓柱形鋰離子電池


雖然題目是混動流派之爭,但我還是忍不住要和特斯拉的電池比較一下。無論混動還是純電動,電池技術是大體相通的,因此應該不算是跑題。


這兩三年來,經常有人問,特斯拉的電池管理算法太厲害了,可以使電動汽車跑400公里,而一般的電動汽車跑一兩百公里就不行了啊,那他們的電池管理算法究竟是怎么厲害的啊?


首先,必須承認把幾千節電池組成電池包來用,確實挺牛的,但是特斯拉跑得遠真的和電池管理算法關系不大,重要是電池塞得多……而這樣的回答,一般都不能讓提問者信服,這不得不說是特斯拉營銷的成功,讓普羅大眾相信算法是可以發電的。


圓柱形電池與層狀電池相比,缺點是非常明顯的:


a)體積利用率:圓柱形電池在成組時必然會比層狀電池占用更大的空間,從而影響車內總體空間。


b)熱管理難度:層狀電池的接觸面積較大,更加有利于散熱和電池單體之間的熱平衡,BOLT的電池包可以控制單體溫差在2度之內,對電池的一致性和耐久性有很好的提高。


c)一致性與可靠性:特斯拉ModelS一共有7000多個單體,而VOLT上只用了288個,單體太多導致的失效新增以及一致性問題,可能會隨著時間的推移而慢慢顯現出來


事實上,特斯拉之所以使用18650電池,更多出于價格和商務而不是技術上的考慮,當時松下急于尋找合作伙伴,因此報出了低于成本的價格。而GM的全球供應商體系較為完善,話語權也較多,因此有較大的空間去選擇技術上更先進的供應商。


3.電池路線之爭的核心問題:電池安全


這里就要特別提到電池路線之爭的核心問題:電池安全問題。別看電動汽車發展得如火如荼,在量起來后頻發的著火爆炸事故有可能使這個行業倒掉;別看特斯拉如日中天,假如集中爆發安全問題引起集中召回與賠償,公司也很難撐往住。


簡而言之,安全問題就是汽車公司的黑天鵝。忽視安全問題,也許像是掙脫了枷鎖,可以發展得更快,但也面對著發展道路戛然而止的風險(也可能風險未爆發,從而取得先機,這叫機會主義路線)。而特斯拉在這方面,不得不說是有點冒進的:


下圖1是特斯拉的BMS,可以看出來左右兩個接插件都不是汽車級的,中間的兩個插排更像是調試接口,而不是產品,這種接口在IT上經常使用,但是能否適應車輛的惡劣環境還待考證。


使用的芯片方面,特斯拉的IT基因促使他們使用了一些IT行業的芯片,比如DSP、ARM、FPGA等。而通用則完全使用傳統的汽車級芯片,單片機一般都是飛思卡爾,硬件設計滿足ISO26262的ASILC等級。


在高壓安全方面,通用的方法是使用MSD(ManualServiceDisconnect),就是下圖這個黃色的接頭,這個黃色接頭可以從物理上斷開電池包和外界的高壓,保證維修人員的安全。所有和高壓安全相關的信號,都采用了雙路備份處理,甚至專門為了電池管理系統設計了雙路CAN總線的冗余備份,確保高壓安全萬無一失。


而特斯拉則為了節約成本,省去了這個零件,而是依靠高壓繼電器來進行斷開。這種方法,當高壓繼電器發生粘連故障時,無法斷開,有安全方面的風險。不過考慮到特斯拉的產量一個月也就幾千臺,量產時間也不長,出現問題的概率也不大。而假如量上來了,那可能會遇到問題。


當然,馬斯克能把火箭發上天再收回來,他對安全性、可靠性的理解也不會差。而上述的特斯拉的安全性、可靠性問題,可能只是他的一種發展策略既然現在只能賣幾千的量,那就按照幾千的量來設計安全性;當我能賣幾十萬輛的時候,自然會按照幾十萬的量來設計安全性。假如真是如此,不得不說,特斯拉還是比傳統車企要靈活得多;假如不是這樣,那很可能在量上來后要出問題。


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