電動(dòng)汽車的心臟—電池

為什么說電池是電動(dòng)汽車的心臟？這要先從電動(dòng)汽車的歷史說起。一說起電動(dòng)新能源車，很容易將其歸納為一個(gè)全新的技術(shù)以及事物。其實(shí)，電動(dòng)車的歷史遠(yuǎn)比想象的早，甚至早于燃油汽車。美國人托馬斯·達(dá)文波特于1834年制造出第一輛直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車；1838年蘇格蘭人羅伯特·戴維森發(fā)明了電驅(qū)動(dòng)的火車；時(shí)至今日依然使用的有軌電車是1840年在英國出現(xiàn)的專利。世界上第一輛電動(dòng)汽車于1881年誕生，發(fā)明人為法國工程師古斯塔夫·特魯夫，這是一輛用鉛酸電池為動(dòng)力的三輪車。之后就出現(xiàn)了以鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等燃料電池作為電力。

可以看到，雖然電動(dòng)汽車早于燃油車發(fā)展，并在早期取得了一定的規(guī)模，但在近代，由于燃油汽車的大力發(fā)展，使電動(dòng)汽車在競爭中受挫。但真正的問題是，過去以鉛酸電池為主的電動(dòng)車，受制于鉛酸電池的密度、壽命、功率等多方面限制，一直沒有辦法在動(dòng)力源，也就是電池方面取得突破，以至于使電動(dòng)汽車發(fā)展陷入停滯。

鋰電池的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

這一問題直到鋰電池的出現(xiàn)且經(jīng)20年大力發(fā)展才得以逐步改善解決。

鋰電池通常分兩大類：

鋰金屬電池：鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

鋰離子電池：鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。

雖然鋰金屬電池的能量密度高，理論上能達(dá)到3860瓦/公斤。但是由于其性質(zhì)不夠穩(wěn)定而且不能充電，所以無法作為反復(fù)使用的動(dòng)力電池。而鋰離子電池由于具有反復(fù)充電的能力，被作為主要的動(dòng)力電池發(fā)展。但因?yàn)槠渑浜喜煌脑兀M成的正極材料在各方面性能差異很大，導(dǎo)致業(yè)內(nèi)對正極材料路線的紛爭加大。

通常我們說得最多的動(dòng)力電池主要有磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池以及三元鋰電池(三元鎳鈷錳).

以上各類電池都有優(yōu)缺點(diǎn)，大致歸納為：

磷酸鐵鋰：

優(yōu)點(diǎn)：壽命長、充放電倍率大、安全性好、高溫性好、元素?zé)o害、成本低。

缺點(diǎn)：能量密度低、振實(shí)密度低(體積密度).

三元鋰：

優(yōu)點(diǎn)：能量密度高、振實(shí)密度高。

缺點(diǎn)：安全性差、耐高溫性差、壽命差、大功率放電差、元素有毒(三元鋰電池大功率充放電后溫度急劇升高，高溫后釋放氧氣極容易燃燒).

錳酸鋰：

優(yōu)點(diǎn)：振實(shí)密度高、成本低。

缺點(diǎn)：耐高溫性差，錳酸鋰長時(shí)間使用后溫度急劇升高，電池壽命衰減嚴(yán)重(比如日產(chǎn)電動(dòng)車leaf).

鈷酸鋰：

通常用于3c產(chǎn)品，安全性極差，不適合做動(dòng)力電池。

理論上，我們需要的電池應(yīng)該是能量密度高、體積密度高、安全性好、耐高溫低溫、循環(huán)壽命長、無毒無害、可大功率充放電，聚所有優(yōu)點(diǎn)為一體而且低成本。但目前并不存在這樣的電池，那么在不同種類電池的優(yōu)缺點(diǎn)中就需要取舍。而且，不同的電動(dòng)車對電池的需求點(diǎn)也是不同的，因此只有立足于長遠(yuǎn)地對電動(dòng)汽車作出判斷，才能有利于我們正確地判斷電池路線的選擇。

磷酸鐵鋰電池的優(yōu)越性

這里就需要回溯前兩篇的論述，我們分析了未來的電動(dòng)汽車應(yīng)該以小里程、快充電的電動(dòng)汽車為主。而目前家用車需要長續(xù)航的雙模混合動(dòng)力，以及公交市場的大續(xù)航純電汽車。那么這樣的車需要什么樣的電池？

一、安全

首先安全是汽車必備的前提。汽車不同于手機(jī)和電腦，汽車在高速行駛中有可能遇到眾多不可預(yù)知因素，比如車禍造成的電池?cái)D壓和撞擊。而任何一個(gè)不利的因素，都有可能造車車毀人亡。我們可以看到一些老年代步車使用劣質(zhì)的鉛酸電池，完全沒有安全保障，電池自燃、受撞擊燃燒的案例比比皆是。再比如特斯拉近一年的連續(xù)著火事件，雖然得利于特斯拉的安全設(shè)計(jì)并沒有出現(xiàn)人員傷亡。但同時(shí)也要看到，這幾次事件都是非常輕微的碰撞事故，碰撞本身對車和人并無傷害，而電池卻著火了，那么如果是更嚴(yán)重的事故呢？

二、高倍率放電壽命

普通汽車使用壽命長達(dá)數(shù)十年，一輛電動(dòng)汽車的電池，10年至少需要3000次的循環(huán)壽命。電池作為比較貴的部件，壽命能否與車等同是非常重要的，既要保證車輛的性能又要保證車主的利益，這樣才能利于市場的推動(dòng)。目前世界各車企的電動(dòng)汽車，只有去年上市的比亞迪“秦”做到了電芯終生質(zhì)保。

電池的壽命也就是循環(huán)壽命，并非簡單的電池參數(shù)給出的數(shù)字。電池的循環(huán)壽命和電池的循環(huán)狀態(tài)是息息相關(guān)的，比如放電倍率、充電倍率、溫度等。通常電池實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)得出的循環(huán)壽命，是以0.3c恒定的充放電倍率，在20度恒定最佳溫度下得到的。但是在實(shí)際用車過程中，倍率和溫度都是非恒定的。這也就是為什么通常無論是筆記本、手機(jī)，還是電瓶車的電池，實(shí)際使用中的壽命都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如廠商給出的數(shù)據(jù)的原因。而中小里程純電以及長續(xù)航雙模混合動(dòng)力車，因?yàn)樗鶐У碾姵乇容^少，對其放電的要求就會(huì)更高，對壽命的影響就會(huì)更大。

比如a123的磷酸鐵鋰電池，通常循環(huán)壽命可以到3000次以上。但是，a123的磷酸鐵鋰航模電池，以10c的充電倍率、5c的放電倍率使用，實(shí)驗(yàn)室中的壽命縮短到只有600次，而真正實(shí)際使用中只有400次左右，可見放電倍率對壽命的影響。

再以比亞迪“秦”為例，只有13kwh的電池驅(qū)動(dòng)峰值功率110kw的電機(jī)。可以計(jì)算出，當(dāng)“秦”滿電時(shí)其最大放電倍率高達(dá)8.4c。尤其是當(dāng)“秦”只有50%電量時(shí)，其最大放電倍率可以達(dá)到18c。如果電量再低放電倍率將超過25c，這會(huì)極大地縮短電池的壽命。

再看p85度電的特斯拉，最大功率310kw的電機(jī)，看起來很龐大，其實(shí)電池放電倍率不過4c。在只有30%的電量時(shí)，最大放電倍率也不過10c。而且特斯拉的大容量電池，在極大程度上避免電池處于大功率的放電之中。

通過簡單的對比，就可以看出比亞迪電池的高倍率放電壽命的優(yōu)越性。

三、溫度適應(yīng)性

極寒對電池的影響，主要表現(xiàn)在充放電倍率低和電容量減少；極熱對電池的影響，主要表現(xiàn)為壽命減低、高溫安全性以及充放電能力下降。

極寒對于電池的影響相對較輕，因?yàn)橐话沅囯姵囟伎梢栽诹阆?0度以下使用，而且在電池的放電過程中本身就會(huì)產(chǎn)生熱量，但能耗的增加以及電量的減少不可避免。

極寒對純電車的影響和對雙模混合動(dòng)力車又不一樣。純電動(dòng)車因?yàn)闆]有其他動(dòng)力來源，在極寒情況下要達(dá)到合適的溫度，必須依靠電池放電加熱，那么對于能耗以及續(xù)航里程就會(huì)有很大影響。特斯拉在冬天無論是百公里能耗以及續(xù)航里程都和平時(shí)有顯著不同。

對于雙模混合動(dòng)力影響就較弱。因?yàn)榛靹?dòng)有發(fā)動(dòng)機(jī)作為備用提供能量。比如去年11月份比亞迪在包頭舉行的“秦”推廣活動(dòng)，當(dāng)時(shí)夜間氣溫在零下15至20度，在早晨極寒的情況下啟動(dòng)車輛，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到hev模式，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空調(diào)，迅速提高車內(nèi)溫度，當(dāng)溫度提高以后再切換回ev模式。

極熱對純電和混動(dòng)影響都很大，比如電池本身大功率放電溫度就會(huì)升高。以普通鋰離子電池為例，20c的放電，電池的溫度可以提升到接近50度。這么高的溫度，不僅對電池的壽命有影響，更重要的是安全隱患。比如特斯拉的三元電池在高溫環(huán)境下會(huì)釋放氧氣，而氧氣是易燃物體。特斯拉通過循環(huán)冷卻系統(tǒng)降低溫度、以硬外殼包裹隔離電池以防止氧氣溢出。但是當(dāng)遇到撞擊時(shí)還是難免起火。

四、能量密度

能量密度，顧名思義就是單位重量的電池所能容納的能量。能量密度通常是判斷電池優(yōu)略的重要指標(biāo)，但是在我的分析體系里，能量密度在電池性能指標(biāo)中不是很重要。

原因有兩個(gè)：

1。能量密度必須結(jié)合其他性能。比如磷酸鐵鋰電池的能量密度確實(shí)不高。但是因?yàn)槠浒踩€(wěn)定耐高溫等特點(diǎn)，以磷酸鐵鋰為電芯所組成的電池極為簡單，不需要太多保護(hù)輔助設(shè)備。而特斯拉的三元電池雖然電池電芯密度很高，但由于其安全性差不耐高溫，所以必須結(jié)合一套復(fù)雜的電池保護(hù)設(shè)備，而這些設(shè)備都加大了汽車的重量。有報(bào)道稱在發(fā)生連續(xù)燃燒事故后，特斯拉又準(zhǔn)備加厚電池保護(hù)設(shè)備，這就將三元電池的能量密度優(yōu)勢消弱了。

2。重量對于汽車的影響不大，特別是對于未來電動(dòng)汽車的主流趨勢混合動(dòng)力以及小里程純電動(dòng)汽車。我們可以設(shè)想，以130千瓦時(shí)/公斤能量密度和200千瓦時(shí)/公斤能量密度的電池做一個(gè)對比。即使是最大的80度總電量，兩種電池的重量差不過200kg.

這對于一輛接近2噸的汽車影響很低。

因此我認(rèn)為，盡管電池的能量密度自然是越大越好，但并不必要刻意追求最大。特別是能量密度越大越不穩(wěn)定，這是基本常識(shí)。只要達(dá)到夠用的程度，能量密度不是太重要。

五、成本

成本非常好理解，要廣泛普及必須要有成本優(yōu)勢，這在本系列第一篇也已經(jīng)計(jì)算過。小里程純電或者混動(dòng)電動(dòng)車，一方面需要減少車載電池量節(jié)約電芯成本，另一方面需要降低電池包保護(hù)設(shè)備的成本。因此我們發(fā)現(xiàn)，特斯拉的電芯成本雖然較低，但是整體成本依然居高不下。

通過以上論述我們知道，不同鋰離子電池都有天然優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。但重要的是，如何對未來電動(dòng)車發(fā)展的重點(diǎn)要素排序，這樣才能選出適合潮流的電池。綜上，從安全、壽命、放電能力、溫度適應(yīng)、能量密度、成本等因素綜合考慮，我認(rèn)為磷酸鐵鋰電池最適合未來電動(dòng)汽車電池的發(fā)展方向。