都2019了还在追求能量密度?安全可靠才是最好的做法

2019-05-03

  3月下旬,财政部等四部委联合发布了新能源汽车的补贴政策,万众期待的2019补贴新政就此翩然而至。

在今年的补贴规则中,能量密度依然是衡量补贴金额的三大维度之一(另外两个是续航和电耗)。   但不难看出,今年国家给予它的权重显然低了一些——数值160瓦时/公斤即成为最高档,而且今年对能量密度也没有任何系数加权(去年最高系数为,今年最高为1)。 这里到底有什么门道呢?今天我们就来重新聊下能量密度这个话题。   生活中有太多情况需要让我们面临“鱼和熊掌不可兼得”的选择,对于电池技术和能量密度来说恰恰也蕴含着同样的关系。

  首先,业内针对动力电池常说的能量密度,主要指的是“质量能量密度”,讲的是同等质量下电池组储存的总电量有多大。

对于动力电池来说,它固然是重要指标,但却不是唯一重要的那个。   除它之外,衡量电池性能的主要指标至少还有:功率密度、循环寿命、倍率性能(充放电)、稳定性、一致性等等。

这些指标相互依存且对立,基本是此消彼长的关系,其实归结起来就是能量、功率、安全、寿命和成本之间的经典矛盾。

  单就能量密度而言,它存在两对最大的矛盾,它们是:  1。

电池能量密度和整车安全性的矛盾;  2。

电池能量密度和功率性能的矛盾;  怎么理解呢?咱们分别聊一下:  A。 和安全性的矛盾:我搬砖就没法抱你,放下砖就没法养你  锂电池的性能主要取决于参与电极反应的活性物质,目前锂离子电池能量提升的内在途径主要有两方面:  1。 通过高比能的材料组合来实现(比如网红高镍电池NCM811),以此来提升离子活性,但活性越高又意味着电池的化学稳定性越低,容易发生热失控,降低电池的安全性。

  2。 通过结构设计、集成技术来实现,也就是进一步提升轻量化程度、提高组件集成度和增大单体电池尺寸。 但如果过多牺牲必要结构件,比如碰撞保护结构和温控系统,无疑也对整车安全性存在影响。   也就是说,对电芯而言,能量密度上升的同时,电池稳定性会有相应下降,对BMS电控及电池热管理的要求就更高。 提升成组电池密度的时候,也不能以降低整体安全性为代价。   B。 和功率性能的矛盾:练长跑的运动员跑不了短跑  功率性能的主要指标是功率密度,衡量的是同质量或体积下的最大输出功率。

通俗点说,能量密度表达了电池的容量大小(单位:瓦时/公斤);功率密度则表达了电池的瞬时动态特性、扭矩优劣(单位:瓦/公斤)。

  理论上,能量密度和功率密度本来是没有必然关系的。 但在目前阶段锂电池技术体系下这点却是相互矛盾的:为提高能量密度我们需要提高活性物质的比例,比如提高电极的涂布量,这就导致了功率性能的下降,而为了提升功率密度又需要降低涂布量,增加导电液的比重。

  因此如何能在两者之间达到一个平衡就变得非常困难。 这也是为何动力电池可分为功率型电池和能量型电池。   也就是说,量密度上升的同时,功率性能会下降。   能量密度不应成为追逐的核心指标  此前在国家政策的引导下,国内车企和车型把冲刺续航和能量密度捆绑在了一起。

动力电池发展有非常清晰的目标路线图,按照国家动力电池技术路线图的规划,2020年,电池单体比能量达到350瓦时/公斤,系统比能量达到250瓦时/公斤,从目前的动力电池技术发展来看,第一点已经很难,第二点更是激进了一些。   根据某电动汽车研究机构不完全统计,2017年和2018年,国内电动汽车发生的安全事故分别为14起和34起。

国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子东在今年年初曾说“目前很多起电动车起火事故都没有找到确凿的原因”。

虽然不能说安全事故一定就和技术指标超速发展有直接关系,但至少算为我们敲响了警钟。

  所以高能量密度电池一定是基于安全可靠、寿命可期、产品一致性有益为前提的。

无条件无前提的追逐能量密度,可能损失更多。

当然,安全是其中最不容易量化的维度。

要通过整个系统去优化,才能把电池的能量、功率、安全性、寿命、成本等平衡到最优。   最好的做法,是安全可靠排第一  兼顾续航、性能和寿命  我们直接来看看对安全、可靠性要求更高的成熟国际化品牌是怎么做的吧——以德系豪华三强中的科技代表奥迪为例——首款纯电动SUV奥迪e-tron,其百公里加速为秒,NEDC续航超500公里,电池容量也高达95度,唯独能量密度不算突出,仅为瓦时/公斤。

单看这个数据,即使以2018年的国家标准来看也不算高,难道奥迪不知道高能量密度和高续航的关系吗?  当然不是,奥迪只是找到了一整套自己的解决方案,针对电池,它的具体做法是这样的:  1。

加强度极高的壳体结构——这是完全由奥迪自己开发制造,并经过足够的碰撞测试验证后,最终选择的方案。   上图右上角的铝框架防撞结构算是e-tron电池组的重要特色,碰撞时框架可以分散能量,起到保护作用,电池模组则在其框架内横向布置。 电池组的外框架有47%的挤压铝型材料,36%的铝板和17%压铸铝部件组成的。

整个电池组重量约700公斤。 从95千瓦时的电量来看,因为大量采用铝制部件,并且加强度非常高,所以整个电池组的重量其实控制的还算OK。

但正是由于内部防撞结构占据了不少空间,导致能装入的模组及电池数量受限,所以能量密度并不高。

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