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新能源车的电池 和我的Iphone X有什么区别

2018/05 百韧锂电池 阅读

关注我的朋友都知道,前段时间我完成了职业生涯中对纯电动汽车的首次测试,测试车型为北汽ARCFOX Lite。在长达一个礼拜的体验后,我发现自己对新能源车的态度发生了不小的转变——不能说完全接受,但也明白了其在市场上存在的意义。不过在一次充电时,我突然冒出了一个问题——供Lite使用的动力电池,和Iphone用的电池有什么区别吗?为什么新能源车的动力电池要做成大号的电池包才能被装到车里?既然快充都需要近40分钟的时间,为什么新能源车不能像小时候玩的四驱车一样随时换电池呢?

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● 从小时候玩的四驱车说起

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像我们小时候玩的四驱车,用的电池都是一节一节的,非常利于快速更换,而且还可以轻松地通过更大容量、更高输出电压的充电电池来提升加速性能和续航能力。

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TVC广告朗朗上口的“南孚聚能环,锁住更多电量”,就是借四驱车的东风被我这一代人所知。那么。新能源车的动力电池又是什么样子的呢?

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这是前段时间我长测的北汽ARCFOX Lite的结构示意图,正中央黄色的部分就是用来为后桥电机供电的动力电池。注意,今天和大家讨论的是动力电池,而非设置在车辆引擎盖下方的蓄电池,这两者可不是一个东西——动力电池主要用来驱动电机,而另一块蓄电池主要为其他用电设备如大灯、仪表、娱乐系统等供电。

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那么负责为后桥电池供电的功力电池究竟有多大呢?

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按照技术手册上的尺寸,我大概在实车上为大家标注了一下动力电池的大小和位置,画图水平一般,仅为示意,请大家见谅。

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用虚线圈出的部分即为Lite的动力电池组,还记得我在试驾文章中写Lite的坐姿有些高吗?

这完全拜坐在屁股下面的电池组所赐。可以看出,Lite虽然是一辆长度不足3米,重量1吨不到的小车,但是动力电池组还是占据了不少宝贵的乘坐空间。那么为什么汽车上的动力电池为什么要做得这么笨重呢?像Iphone一样做得轻薄一些不是更符合审美和对空间的需求吗?

● Iphone X VS Lite

我们以Iphone系列中的顶级型号——Iphone X作为移动电子产品届的代表,再拿我的长测车——Lite作为新能源汽车界的代表。两者虽然都靠电池吃饭,但在技术细节上,主要存在以下几个方面的不同:

一、电池能量

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首先,差别最明显的就是电池的能量。想想就知道,用来驱动汽车的电池和用来给手机供电的电池压根就不是一个量级的对手。Iphone X电池容量为2716mAh,按照锂电池3.7V的平均电压来算,电池的能量顶天不过10Wh出头;而另一边,Lite的动力电池电池能量为16.4kWh,也就是16400Wh,相当于1640只iphone X的电池能量。

二、放电能力

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其次便是放电的能力。拿Iphone X玩吃鸡,大概5个小时手机就需要充电了,那么计算下来,手机电池的输出功率约为10Wh/5h=2W,而且5个小时玩下来,你的手机不出意外应该可以为发烧而生了。

那么Lite的输出功率又是多少呢?Lite在后桥电机的驱动下,最高设计时速≥110Km/h,此时电机最大输出功率36kW,大体可以约等于动力电池组的最大放电能力,相当于Iphone X的18000多倍。放电能力上来了,放电过程中产生的热量也大的惊人。拿Iphone X打5个小时游戏就烫得基本没法上手,想象一下如果同时有18000多个Ihone X同时向你传热,那该是一副什么样的场景呢?

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原谅我的调皮,可事实就是这样。汽车的动力电池在放点过程中产生的热量是惊人的,以至于绝大多数的车载动力电池都需要配备冷却系统才能安全工作。

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以雪佛兰2016年推出的Volt PHEV版车型为例,每个电芯侧面贴合的水冷板起到的作用和用嘴吹Iphone背面起到的作用是一致的。只不过,这其中有一个效率的问题。目前,动力电池主流的散热系统共分为两大技术流派,一种是如上图所示的液冷结构,一种是借助风扇和电池的自然撞风降温的风冷结构。还有一些“捞偏门”的冷却方案,比如宝马不久前退市的530Le插电式混动轿车就将空调的制冷系统引入了动力电池之中,这样一来既精简了汽车上的配件冗余,又节省了成本、降低了整备质量。不然,采用水冷方案的话,电池包附近还要多出来一个水泵和一个散热器。

液冷效率高,但一旦泄露整个电池组都有损坏的危险;而风冷成本低,在电池容量不大(换句话说就是续航里程不多),电机功率也不大(换句话说就是没什么动力需求),驾驶习惯不激烈(说白了就是纯家用)的情况下,风冷结构可以更有效得降低购车成本。

三、电池寿命

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电池寿命是购买新能源车,尤其是纯电动车型的朋友们心里最绕不过去的疙瘩之一。毕竟和Iphone一样,汽车上的动力电池组也是有寿命的。一般,我们以储电性能衰减到80%为基准,判断一块电池有无继续使用下去的必要。查阅资料,妥善充电的Iphone X可在完成500次循环充电后仍能保持原始电池容量的80%,按照一天一充来算,其最佳性能期能稳定在2年左右,符合电子消费类产品的换代规律。而绝大多数一线电池大厂出品的电芯可保证进行4000-5000次完全充放电后电池储电性能才衰减至80%。5000次是一个什么概念?

假如你每天都有给车充满电的好习惯,年复一日从不间断的话,这个电池的寿命可达10年以上,怪不得北汽可以给出8年或15万公里质保的时候一点儿都不带怂的。

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光是以上三点,就足以说明手机电池和汽车动力电池完完全全是两个数量级的产品。无论是千倍级的储电能力,还是大到必须强制散热的发热能力,亦或是对使用寿命和衰减速度的严苛要求,都决定了汽车用动力电池在Iphone X面前是神一样的存在。

然而,手机电池和汽车动力电池最大的差距还不止是上述三点那么简单,事实上手机电池的作用仅仅相当于汽车动力电池中的一个单体电芯,是最小的储能单位和放电单位。汽车的动力系统其实就是一套有序安放数千个单体电芯,并且保证其安全运行的丰巢式公寓。汽车动力电池不仅要令每一个单体电芯都处在最佳工作状态,还要协调它们之间的充放电关系和体质,这样才能最大程度的延长整个电池组的寿命,发挥循环充电的作用。

如此一来,电池组的体积就成为了一个不得不面对的问题,其也带来了以下两点主要的差异:

一、单体电芯的组织形式

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Iphone X内部采用了双电芯串联的设计

大多数手机的电池都是单体电池,就算有多个,最多也不超过两个,毕竟手机的大小有限,每一个单体电池我们称之为一个Cell。如果你外挂了与手机壳一体的备用电芯,那当我什么都没说。由于都是锂电池,所以Iphone X电池的电压和汽车动力电池单个电芯的电压基本是一致的,一般都在3.7V左右,满电状态下可达到4.2V,但这么低的电压是无法用来驱动电机的啊,就算可以驱动,那么想必电机输出的马力也不会太大,你总不想满大街的新能源车时速都在10-20Km/h左右吧。

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要想让电机发挥威力,我们必须将整个电池组的输出电压提上来,最好的办法就是初中物理课本上教会我们的串联。一般来说,汽车动力电池的输出电压在450V以内,那就是约110个Cell串联起来才能形成的高压,但是这么多个Cell总不能像我们初中时学过的简单串联连接在一起吧,否则光用来连接它们的电池就能能绕地球一圈了。于是,就有了模组(Module)这个概念。就像组长、班长、小队长一样,每12个或14个Cell被编为一个Module,然后每个Module都肩负着充放电、并及时向上级领导汇报工作的任务。那么所有的Module都要向谁汇报工作呢?

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所有Module的头儿叫BMS电池管理系统(Battery Management System),其在实际的量产车中可不像上面图中几个小盒子那么简单,而是由控制模组、显示模组、无线通信模组、电气设备、用于为电气设备供电的电池组以及用于采集电池组的电池信息的采集模组等一系列常设的办公机构组成的,每个办公机构都有自己的职责范围,他们不仅要照顾好每一个Module都健健康康的吃喝拉撒,还要负责协调表现好的Module(性能正常)和表现不好(出现过放、过充或损坏等问题)的Module的关系,以免出现木桶效应。

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什么是木桶效应我想不用过多解释,大家都心知肚明。串连起的Cell就像上图中的木桶一样,如果其中Cell的储电性能降低了,或放电能力下降了,那就会影响整个电池组的储电和放电性能。BMS电池管理系统最大的用处便是解决这一问题,顺便说一句,动力电池的木桶效应也是目前国内外一线电池大厂最难克服、也最急需客服的核心问题。

如果一个Cell出现了问题,那么BMS一般将通过主动平衡或被动平衡两种办法来平衡不同Cell之间的性能,目的是让性能优秀的电芯多充电或多放电来弥补出问题电芯的缺口,以实现整体性能的最大化。但如果某一个Cell天生体质太差,那么也将无济于事了。

二、电池的工作环境

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开过纯电动车的朋友都知道,一到冬天,无论是哪家品牌的车在续航里程上都会多多少少的出现明显的衰减。说明什么?汽车动力电池对于工作环境,尤其是温度的要求十分苛刻,与Iphone X -20°到60°的工作温度相比,纯电动汽车最适宜的工作环境只有0-30°的范围内,过热过冷都不行。过热的话,我们在前文提到过液冷、风冷两种散热方式会帮助整个电池组快速降温,而过冷一般是无法解决的,你总不能像开老化油器柴油车一样每次打火前都拿酒精喷灯为电池组加热吧!

所以说,汽车的动力电池是需要一个理想的环境才能发挥最大性能的,而不是像手机那样,用个一两年,就该到换新手机的时候了。介绍完这些,你大概就能明白汽车的动力电池和Iphone X的电池是怎样的对比关系了吧?简单总结一下,一个是让你痛痛快快用两年就换下一个,还买这个牌子;另一个是让你痛痛快快用很久,然后给孩子买这个牌子。

● 汽车用动力电池有可能做得更轻薄一些吗?

当然可以啦,因为这个问题比较抽象,我们不妨举个例子。一个馒头和一个巧克力都足够让你补充能量,那么在长途旅行时,你会选择带非常占空间的馒头还是更加小巧的巧克力?抛开好不好吃和吃不吃得腻,我们一般会选择后者,这其中隐藏了一个能量密度的问题。在电池的工业化生产中,我们也用能量密度这一概念来形容电池的储电能力。

如果要做到更轻更薄,但储电能力不变的电池,我们只需要相应的提高原来电池的能量密度就可以做到,但这在实际的研发和量产阶段可不只是说说那么简单。目前,比亚迪广泛采用的磷酸铁锂电池单体能量密度为200Wh/kg,而宁德时代出品的三元锂电池的能量密度最高可以做到240Wh/kg。

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石墨烯电池结构

有没有可能将能量密度做得更高一些呢?当然可以,能量密度高达600Wh/Kg的石墨烯电池就是一个很好的例子,不过受限于造价(向上游原材料生产商询问证实后得知目前国内石墨烯粉体的价格约为1200元/克,量产的话制造成本会更高)和制造难度,这一技术目前离我们还很遥远。

来源:搜狐