如何评价一款动力电池?这是一个很大的话题,本文暂且抛开其他例如成本制造等因素去谈,只就技术层面谈谈性能评价这一个方面。首先我想先谈谈两个误区。
不要抛开整车的需求去单独评价电池
首先我认为第一个层面的认知是没有最好的动力电池,只有最适合一款车的电池,抛开整车的需求去单独评价一款动力电池的好坏都是有失公允的。做评价的第一步就是弄清楚自己的需求,你弄不清楚自己需要维生素还是蛋白质,你怎么知道自己吃苹果好还是吃鱼肉好呢。
在美国比较经典的手册《FreedomCAR》中有一个术语叫BSF(BatterySizeFactor),解释是“对于特定的电池或模组设计,是一个单体或模组能够满足所有FreedomCAR性能和寿命目标的最小的整数”,其实可以这么简单理解,就是一个将电池系统的整体要求分解成为一个单体或者模组要求的被除数,这个被除数是多少完全取决于你的系统要求和你的单体实际水平,例如整车设计上要求电池系统在某工况下的脉冲功率要求能达到50kW,你在评价一个100串构成的电池包时,这个被除数就应该是100,而500W就应该是对每一个单元该工况下脉冲能力的评价指标,而这个被除数也应该被同时去用来分解,并评价其他一系列的其他性能。这其实就告诉我们了做动力电池评价的第一步就是分解整车的需求。这也是我们需要主要的第一个误区。
不能仅就一个方面去谈电池的整体性能
经常可以在网上看到这样的新闻,“XX公司最新研制的电池单体质量比能量已达到500Wh/kg,续航XXX公里,特斯拉”,“XX新型石墨烯电池循环寿命达3500次”“XX汽车电池系统只用充电5分钟,能跑X百公里”,从而吹嘘自己的电池技术获得了突破,我认为这些都是十分片面的,并不能公正的评价是否技术真的取得了突破,我举一个例子给大家,请读者们判断下面几个人谁做适合打篮球?
谁适合打篮球?
甲:一个跑步速度很快,但身高只有170cm的人;
乙:一个身高2米2,但是体质瘦弱很容易受伤的人;
丙:一个体力充沛,跑4个小时都不会累,但身高速度都一般的人;
也许读者很难做出判断,其实甲就好比是LTO体系的电池,可以快充快放,但是电压低决定了其比能量不高；乙就像是一个富锂正极材料的电池,比能量可以做到很高,但是自身的体能和安全又难得到保证；丙就好比是个LFP体系的电池,中规中矩踏实耐用,但各项能力均不突出。所以在现实的应用中一般也会根据实际的使用场景来选择合适的电池,就好比让甲去打后卫,让乙去打中锋。谈到这里相信读者朋友也不会再因为中国有一个人身高到了2米4的人就认为中国篮球能争霸全球了吧。
抛开以上的两个误区,我们再回到动力电池的本质,动力电池的本质其实就是一个车载的化学储能装置,我们知道化学储能只是很多种储能方式的一种,其他还包括物理储能,电磁储能。既然本质是储能装置,那很容易理解,我们就应该关注什么?第一能储多少能,储的能会不会“溜走”,也就是储能的能力;第二既然储了就要用,我们接着应该关注他能量的释放能力,能怎么用?最后我们更应该关注的是这个储能装置对能量的控制能力,第一我们好控制它吗?第二它自己在车载复杂环境中控制的了自己吗?
能量的储存能力
怎样评价一款动力电池的能量储存能力?我认为主要在于两个方面,第一在能储多少能;第二在储能的稳定性;
第一能储多少能?其实直观的看其实就是一个电池的容量,但是这个电池的容量并不是一个电池本身的容量大小,而考核的是电池整个全生命周期能释放的能量,其实这么看就已经把Fresh的电池和寿命末期的电池全部考虑在内了。但是储能能释放多少的本身,其实在于你怎么去用这个电池,如果还在用1C满充满放去考察一个电池能循环多少次的话,我觉得这早就totallyout了,首先这种方式的考察并没有任何实际意义,除了可以横向对比几个不同配方的电池外我认为并没有其他任何的参考价值,因为正如评价电池需要首先分解整车需求一样,考察电池的寿命也应该是模拟整车的工况,整车是很难出现100%DOD1C持续循环的情况的,就好比你没看见过谁开着电动车一直匀速往前开,不刹车,开没电了充满电继续开,开10年。考察电池的寿命或者说全生命周期的储能能力,一定要是与整车的工况相结合的考察才有意义,你车上实际怎么用?在什么SOC的区间?是CD还是CS?电用完了是怎么充电,快充还是慢充,全部结合起来的考察才是有实际意义的。
第二在于储能的稳定性,其实就是考察你不怎么用的时候,放在那能量会不会有损耗,这也就是所谓的日历寿命所考察的,当然日历寿命也不是放在那完全不动,也是需要你用一定的简单工况,同时也应该针对不同的车型的实际工况在不同的温度下进行,并伴随着对电池本身状态的跟踪,最终建立起对这个电池日历状态的认识。
能量的释放能力
能量的释放能力我觉得一句话概括就是考察,在各种工况条件下,你能怎样释放你的能力。
这就包含了两个层面的意识,第一是在各种工况,例如不同的温度,不同的SOC,不同的生命周期；第二是能怎么放,能放多久,能放多少。把两个层面的意思咱们在做个正交,其实你就能大致明白你评价的这款电池到底是一个什么样的能量释放能力了。
能量的控制能力
最后一个就是能量的控制能力,我觉得仍然是两个方面的意思,第一我们怎么去控制它?第二它自己受到打击会不会不能控制自己。
第一其实谈的就是BMS,而好不好控制其实就是这个电池好不好标定,怎么去标定这个电池的SOC,其实这一直是个难题,而好不好控制它其实就首先建立在标定好的基础上的,不同体系的电池其实标定的难度也是不同的,就比如SOC-OCV曲线,这其实只是一条基线,我们在线计算时往往需要在他上面做修正,而这个扩散电压的计算和RC模型的建立,其实往往又跟电池的不同体系,或者功率和能量型的设计有关,体系不同模型的复杂程度也不同,更有甚者即使就是不同温度的变化对电池静态时电压的影响也是不同的,当然控制的难度也会不同,所以我认为电池本身好不好控制其实本身也成为了评价一款动力电池的标准之一。
第二其实就是电池本身的设计让它能不能管好自己。除了整车的正常使用,我们还需要考虑各种极端情况,比如针刺、挤压、浸水、火烧等等在这些特殊的极端工况下,电池能不能“把持”住自己从而不发生连锁的热失控,当然这方面对电池整个系统的验证远远不止这些,这里不做赘述,但这也是我们考虑的一个重点。
综上所述,我们谈到了两个误区,也同样谈到了对电池这个本身化学储能装置的本质判断,包括能量的储存,释放和控制,当然这里都是比较浅的聊了一下,如果读者朋友有兴趣可以自己去看看比较经典的美国出的《FreedomCAR》手册和UN/WP29制订的ECE_R100两套标准，当然后面如果有机会也愿意与读者朋友共同讨论理解这两个经典资料。
