新能源车快速崛起的原因是什么

2018-05-08      311 次浏览

  去年全球范围发布禁售燃油车时间表,让人们意识到新能源车的时代就要来了,而纯电动车、插电混动、燃料电池车等等,为什么短短几年时间就成为未来的主旋律?一方面是全球战略、政策等方面的支持,另一方面就是动力电池技术的不断提升,更长的续航、更短的充电时间,直接关乎用户的通勤需求,才让新能源车来到我们身边,将来还会取代传统燃油车,与大家的日常出行密不可分。于是就有了人们所说的:“新能源车的发展,就是电池技术的发展。”


  铅酸电池


  纯电动汽车最早使用的是铅酸电池,铅及其氧化物制成作为电极材料,硫酸溶液作为电解液,这是现在大部分电动自行车的动力源,低成本是其最大的优势。不过,因为铅酸电池的能量密度低,从而带来了体积大、容量小等问题,无法满足一台汽车对于自重的控制、驱动力的消耗,乃至每年超过1万公里行程的使用寿命,所以无法大规模用于量产车上,最终被汽车厂商淘汰。


  镍氢电池


  镍氢电池与我们的日常生活很近,从早期的随声听到现在的充电牙刷等小型电器很常见,正极为镍氢的化合物,负极为金属氢化物,其能量密度、充放电次数相比铅酸电池有不小的提升,并且电解液不可燃、安全性有保障,制造工艺成熟,比亚迪在造车之前就是全球第二大的镍氢电池制造商。


  不过,因为镍氢电池充电效率一般、有充电有记忆效应、工作电压较低(无法使用高压快充),并不适用于汽车的单一动力源,适合辅助发动机工作。这方面做得最好的要属丰田,其混合动力系统采用阿特金森发动机+镍氢电池组,阿特金森发动机本身具备中间转速区间高效的优势,却也有着低转速和高转速疲软的问题,而镍氢电池正好能够解决起步与高速动力不足的一大助力。


  而从锂电池广泛引用之后,镍氢电池在汽车上也有被完全取代的趋势,如丰田新一代混动系统就采用了更高效的发动机+锂电池组合。相比锂电池,镍氢电池的容量、循环充电的寿命以及环保角度都不占优势,成本的优势也在锂电池大力发展之下被弱化了,这正是镍氢电池逐渐退出汽车领域的原因所在。


  锂电池


  锂电池正是现阶段新能源车的主流选择,锂的化合物(锰酸锂,磷酸铁锂等)作为电极材料,石墨作为负极材料,其优势在于能量密度高、体积小、重量轻、充电效率高。决定锂电池类型或者说性能的主要因素,在于电池两极的材料,其中正极的材料是现阶段的关键,如主流的磷酸铁锂、三元材料中的钴酸锂、镍钴锰等,在容量、成本、低温充放电、安全性等多个维度上存在差异。


  通用集团锂电池组


  不过无论任何类型,所有锂电池组都会面临低温这个“天敌”。不同锂电池类型的最佳工作温度虽然有一定差异,但低于最佳区间之后伴随而来的锂离子的活性降低,对于续航里程的影响比较大,这在我们此前的测试中也有所体现:搭载锂电池组的电动车,北方冬季实际使用中的续航,普遍只能达到理论续航的60%多,最多也就70%左右。


  低温的负面影响从电池本身不太好解决,于是众多汽车厂商想办法给电池组加温,增加单独针对动力电池的控温系统,采用这种做法的大部分品牌车型都有一定缓解作用,但实际效果还算不上出色的解决问题,因为有一些电动车控温系统的耗电量,比低温的损失还要大。


  在这方面可以有所期待的是,通用集团已经有意向与韩国LG集团合作,采购直接在电池组内部装备多个温控元器件的产品,不光能与现在一样给电池散热,还能在寒冷天气提高电池的温度。这项技术的落地值得期待,据悉,通用集团下一轮纯电和插电混动的新车就会使用,取代现在日立品牌供应的电池组。


  氢燃料电池


  大家都知道H2+O2燃烧最终得到的水,所以氢气是非常理想的清洁能源。就氢气本身来说,燃烧可以释放大量的能量、低温表现上佳,最重要的加氢的效率高,加氢只需5分钟就能行驶超过600公里,并且这个数据还有提升的空间,以上这些都要远远优于现有的锂电池。


  关于氢燃料电池车投入方面,日、韩两国的车企早就开始了研究,如今已经小范围投入到了各自国家的市场中,如笔者春节前试驾的现代NEXO氢燃料电池车,已经大量用于平昌冬奥会并上市销售。


  而氢气这么好的能源,为什么不推广?因为以现在的技术获取氢气太难了。大家都学过电解水能得到氢气,但耗费电能去电解水,然后再烧氢气最终变成水,这个过程的用电量和损失还不如直接给锂电池充电,成本太高。而成本、工艺都比较合适的是从石油、天然气里提取,但量并不大,所以燃料电池车“只闻其名、难以推广”。


  石墨烯电池


  对于未来新能源车的动力电池讨论,最靠谱、讨论最多的要属石墨烯电池了,将一些专业角度的解读“翻译”一下就是:用这种材料结合锂电池有两种使用方法,一是用石墨烯的复合材料作为锂电池的导电剂,二是直接用作负极,效果都是增加锂电池的活性,从而提升电动车的续航里程、充电速度。


  石墨烯-碳化海绵锂氧电池


  石墨烯电池可以有效解决锂电池的短板,产品特质与新能源车用户使用直接挂钩。这种材质的好处确实大,而且韩国三星也已经对外公布掌握了这项技术,但成本是一大瓶颈,石墨烯的获取不太容易,早期是用于航天领域的一种材料,何时、采用什么方式降低成本,将是这项优质产品“飞入寻常百姓家”的一大难题,各个汽车厂商都还没有公布在这方面发力的计划。


  简单来说,纯电动车的工作原理是“充电直接用电”,氢燃料电池车则是H2+O2“烧成”(化学反应)电能和水,相当于“烧氢”来发电。两种“电池”同样都是零排放,电动车锂电池能力密度更小、低温活性差影响续航,充电速度慢的问题,氢燃料电池完全没有,而且工作效率要高出不少,这正是氢被称为优质能源的原因。


  固态锂电池


  固态锂电池顾名思义就是不再使用液态的电解液,采用固态电解质,其能力密度远超现在的主流的锂电池,这意味着纯电动车型更高、甚至达到节能型汽油车的续航里程,并且充电效率相比现阶段也有着质的飞跃,据悉装备固态电池的电动车,最理想化的充电速度可达到1分钟增加800公里,这可以说是新能源车的最佳核心部件。


  现阶段,一些海外的能源、科技企业,以及松下等电池制造商都开始了固态电池的研发,汽车厂商涉及这方面的只有丰田、本田以及日产三大日系车企,这源于日本国家层面的助推。从已经开始研究固态电池的各方计划来看,预计2020年将在成本、能量密度和生产制造方面有突破性进展。到2030年才能将这项研发成果落地、在新能源车领域广泛普及,即离我们还有些远,这也是各大车企发布2025年全球禁售燃油车的应对战略时,并未提及固态电池的原因。


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