电池技术到底哪家强?

2021-11-17      1388 次浏览

九月二十八日晚上,本田新雅阁混动版正式上市,正在以各种姿势刷爆朋友圈。


就在今年,大众、通用、宝马等,也都纷纷推出了混合动力汽车,混动似乎突然之间火了。


在纠结该不该买混动汽车之前,不妨先读读这篇纯技术文章。


混动出现了什么流派?这真是一个大问题。个人觉得有3个角度是可以论一论“流派”的:


1)系统构型:行星齿轮派与非行星齿轮派


2)电池技术:锂离子电池派与镍氢电池派


3)电机技术:永磁同步派与感应电机派


本文重要从电池技术的角度来捋一捋不同的混动流派,电池技术哪家强呢?


锂离子电池路线vs镍氢电池路线


正如谈纯电动避不开特斯拉相同,谈混合动力的时候,也都要和丰田普锐斯进行比较。


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代普锐斯才供应了锂离子电池与镍氢电池两个版本,锂离子电池组,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,但锂离子电池组的重量较镍氢电池组轻了16公斤。与锂离子电池相比,镍氢电池有固有的劣势,可以预见到,丰田在不远的将来,将不得不转为以锂离子电池为主。


而作为比较的通用,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电动汽车,都坚决采用了锂离子电池路线。最近看过一篇很有意思的文章《原来特斯拉的电动汽车技术来自于TA》,文中讲到通用是锂离子电池路线的倡导者,通用EV1项目的负责人和特斯拉Roadster也颇有渊源。通用涉足电动汽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汽车“Impact”,并供应给用户进行试用。


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汽车相关相关经验和技术,用在后续的VOLT、BEV以及BOLT上。后续从VOLT开始,大规模使用锂离子电池技术。即使只有0.5kWh电池的上一代君越eAssist,都采用了锂离子电池,要了解同时代别的微混车都在用铅酸。因此,通用在锂离子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离子电池的厂家。可以说,通用是锂离子电池车用领域“第一个吃螃蟹的人”,这也是为何要把通用单独拎出来,作为“锂离子电池派”的典型。


通用锂离子电池派与丰田镍氢电池派相比,有以下差别:


a)能量密度:


电池的重要用途是储存能量,因此能量密度是电池的最重要参数,在这方面锂离子电池比较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,采用锂离子电池,电池包容量16kWh,重量为181.4kg,能量密度为88.2Wh/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138Wh/kg,最近上市的君越混动版本,采用了第二代Voltech,使用1.5kWh电池包,可为60kW和54kW的两个电机供应动力,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,以短时间降低油耗为目的,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供应不到10公里的纯电动行驶,而通用VOLT则可以供应多达60km的纯电动续驶里程。因此,丰田有关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。锂离子电池虽然能量密度高,使用寿命长,但对温度更加敏感,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,有效地新增了电池寿命和性能。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CellPair)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ThermalPlumbing,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。


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。锂离子电池派与镍氢电池派在电池管理水平上的差距,重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。


不了解为何,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公司:摩托罗拉与索尼。不管怎么说吧,这技术水平是杠杠的。


层状锂离子电池vs圆柱形锂离子电池


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,重要是电池塞得多……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,更加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ModelS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新增以及一致性问题,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。


电池路线之争的核心问题:电池安全


@叶磊Ray在他的回答《为何说特斯拉的核心优势是电池管理软件算法?》中也提到:“德国汽车公司拿他们的技术标准去套Tesla的产品,无论是设计选型还是制造工艺根本就不成熟”。


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,假如集中爆发安全问题引起集中召回与赔偿,公司也很难撑往住。


简而言之,安全问题就是汽车公司的黑天鹅。忽视安全问题,也许像是挣脱了枷锁,可以发展得更快,但也面对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:


特斯拉的BMS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。


通用VOLT上用的BMS电路板出布局非常工整,使用的接插件都是汽车级接插件,完全可以满足车辆使用和运输过程中震动、温度、腐蚀等苛刻环境。


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ASILC等级。


在高压安全方面,通用的方法是使用MSD(ManualServiceDisconnect),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。


而特斯拉则为了节约成本,省去了这个零件,而是依靠高压继电器来进行断开。这种方法,当高压继电器发生粘连故障时,无法断开,有安全方面的风险。不过考虑到特斯拉的产量一个月也就几千台,量产时间也不长,出现问题的概率也不大。而假如量上来了,那可能会遇到问题。


当然,马斯克能把火箭发上天再收回来,他对安全性、可靠性的理解也不会差。而上述的特斯拉的安全性、可靠性问题,可能只是他的一种发展策略——既然现在只能卖几千的量,那就按照几千的量来设计安全性;当我能卖几十万辆的时候,自然会按照几十万的量来设计安全性。假如真是如此,不得不说,特斯拉还是比传统车企要灵活得多;假如不是这样,那很可能在量上来后要出问题。


在电池技术方面,包括通用在内的德美日大型传统车企,作为年销量数百万的百年老店,更加重视产品的可靠性、一致性以及耐久性。而特斯拉作为带有IT基因的新兴公司,将注意力更多放在用户体验上,其产品也未经过大量、长时间的验证。



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