鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：333次 | 2024年01月16日
淺談電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰離子電池的不同技術(shù)路線
1.鋰離子電池路線vs鎳氫電池路線
正如談純電動(dòng)避不開(kāi)特斯拉相同，談混合動(dòng)力的時(shí)候，也都要和豐田普銳斯進(jìn)行比較。
豐田普銳斯的混動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型堪稱(chēng)完美，近20年都無(wú)需大改，沿用至今。但其在電池類(lèi)型的選擇上，卻是另外一番景象豐田一直以鎳氫電池為主，直至第4代普銳斯才供應(yīng)了鋰離子電池與鎳氫電池兩個(gè)版本，鋰離子電池組，僅有56個(gè)Cells，而鎳氫電池組則有168個(gè)Cells，因此兩者在成本價(jià)格上相去不遠(yuǎn)，且輸出電壓也在伯仲之間，但鋰離子電池組的重量較鎳氫電池組輕了16公斤。與鋰離子電池相比，鎳氫電池有固有的劣勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)到，豐田在不遠(yuǎn)的將來(lái)，將不得不轉(zhuǎn)為以鋰離子電池為主。
而作為比較的通用，則從最原始的BAS系統(tǒng)（皮帶助力微混）到插電的沃藍(lán)達(dá)、以及SPARK電動(dòng)汽車(chē)，都堅(jiān)決采用了鋰離子電池路線。最近看過(guò)一篇很有意思的文章《原來(lái)特斯拉的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)來(lái)自于TA》，文中講到通用是鋰離子電池路線的倡導(dǎo)者，通用EV1項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人和特斯拉Roadster也頗有淵源。通用涉足電動(dòng)汽車(chē)的歷史可能要追溯到1990年（甚至更早），通用當(dāng)年推出了一款電動(dòng)汽車(chē)Impact，并供應(yīng)給用戶進(jìn)行試用。
盡管該項(xiàng)目后來(lái)擱淺，試用的樣車(chē)也被盡數(shù)回收，但是通過(guò)該項(xiàng)目積累了大量的電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，用在后續(xù)的VOLT、BEV以及BOLT上。后續(xù)從VOLT開(kāi)始，大規(guī)模使用鋰離子電池技術(shù)。即使只有0.5kWh電池的上一代君越eAssist，都采用了鋰離子電池，要了解同時(shí)代別的微混車(chē)都在用鉛酸。因此，通用在鋰離子電池應(yīng)用這一領(lǐng)域可謂占盡了先機(jī)，是第一個(gè)在所有從混動(dòng)到純電動(dòng)都使用鋰離子電池的廠家。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
可以說(shuō)，通用是鋰離子電池車(chē)用領(lǐng)域第一個(gè)吃螃蟹的人，這也是為何要把通用單獨(dú)拎出來(lái)，作為鋰離子電池派的典型。
a)能量密度：
電池的重要用途是儲(chǔ)存能量，因此能量密度是電池的最重要參數(shù)，在這方面鋰離子電池比較鎳氫電池有較大的優(yōu)勢(shì)。以2012年推出的第三代普銳斯鎳氫電池為例，1.3kWh容量，重量卻達(dá)到53.3kg，能量密度才24.4Wh/kg；而同時(shí)代通用推出的VOLT，采用鋰離子電池，電池包容量16kWh，重量為181.4kg，能量密度為88.2Wh/kg，兩者能量密度差了差不多4倍。通用的最新產(chǎn)品，BOLT使用的電池包為L(zhǎng)G的層狀電池60kWh,435kg,其能量密度達(dá)到了138Wh/kg，最近上市的君越混動(dòng)版本，采用了第二代Voltech，使用1.5kWh電池包，可為60kW和54kW的兩個(gè)電機(jī)供應(yīng)動(dòng)力，功率密度可見(jiàn)一斑。從這個(gè)角度來(lái)看，豐田還停留在中度混合動(dòng)力的階段，以短時(shí)間降低油耗為目的，而對(duì)未來(lái)的戰(zhàn)略并不明朗；而通用是沖著深度混合動(dòng)力方向去的，甚至為純電動(dòng)做好了技術(shù)鋪墊，混合動(dòng)力-插電式-純電動(dòng)的技術(shù)路線已經(jīng)非常明確。
b)電池容量：
從電池容量來(lái)說(shuō)，普銳斯的電池容量?jī)H能供應(yīng)不到10公里的純電動(dòng)行駛，而通用VOLT則可以供應(yīng)多達(dá)60km的純電動(dòng)續(xù)駛里程。因此，豐田關(guān)于電池的思路就是輔助系統(tǒng)，而通用則把電池放到了和發(fā)動(dòng)機(jī)同等重要的位置上。也就是說(shuō)，豐田的混合動(dòng)力還是以發(fā)動(dòng)機(jī)為主，比如研發(fā)了阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，而通用的混合動(dòng)力則把電池放在了較為重要的地位。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
c)電池管理技術(shù)水平
從技術(shù)角度，鋰離子電池系統(tǒng)比鎳氫電池系統(tǒng)要復(fù)雜，技術(shù)難度更大。鋰離子電池雖然能量密度高，使用壽命長(zhǎng)，但對(duì)溫度更加敏感，要設(shè)計(jì)復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)。例如，通用第二代VOLT設(shè)計(jì)了多種模式的熱管理系統(tǒng)，可以用廢熱給電池加熱，也可以用空調(diào)給電池冷卻，設(shè)計(jì)非常節(jié)能和精妙，有效地新增了電池壽命和性能。而鎳氫電池對(duì)溫度敏感性較差，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的熱管理系統(tǒng)即可。另一方面，通用鋰離子電池包較大（比如VOLT電池容量是普銳斯的十多倍），使用更先進(jìn)的均衡技術(shù)、充放電控制技術(shù)等，使得Volt的電池組內(nèi)的溫度差可控制在2C以內(nèi)，有力地支持了8年的電池組壽命保證期。
通用的凱迪拉克CT6電池管理技術(shù)來(lái)源于第二代Volt電池管理的技術(shù)基礎(chǔ)，也充分展示了在電池集成與管理方面的最高水平：由3段96S2P電池（96個(gè)電芯Cell，每個(gè)電芯包含2個(gè)電芯對(duì)CellPair）組成，外部由高壓壓鑄鋁板進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，內(nèi)部還包含必須的高低壓線束以及散熱管ThermalPlumbing，并在電芯間加入了水冷散熱鰭片，模塊化設(shè)計(jì)使得可以靈活配置電池組的外形與容量。
多個(gè)電芯組成的電池組
作為一名工程師，在我看來(lái)，特斯拉的電池管理水平已不低，但在通用這種老司機(jī)炫技一般的水平看來(lái)，還是略顯稚嫩。不僅特斯拉，豐田在電池管理技術(shù)上的投入也較少。鋰離子電池派與鎳氫電池派在電池管理水平上的差距，重要是由于豐田認(rèn)為電池處于輔助地位，自然投入的研發(fā)成本較低，以投入性價(jià)比為主；而通用則認(rèn)為電池是動(dòng)力系統(tǒng)的半壁江山，對(duì)電池及其管理技術(shù)進(jìn)行了深入研究。
不了解為何，看到通用的雙行星齒排系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)，令人眼花繚亂，讓人感嘆鬼斧神工，這總是讓我想到另外兩個(gè)工程師向往的公司：摩托羅拉與索尼。不管怎么說(shuō)吧，這技術(shù)水平是杠杠的。
2.層狀鋰離子電池vs圓柱形鋰離子電池
雖然題目是混動(dòng)流派之爭(zhēng)，但我還是忍不住要和特斯拉的電池比較一下。無(wú)論混動(dòng)還是純電動(dòng)，電池技術(shù)是大體相通的，因此應(yīng)該不算是跑題。
這兩三年來(lái)，經(jīng)常有人問(wèn)，特斯拉的電池管理算法太厲害了，可以使電動(dòng)汽車(chē)跑400公里，而一般的電動(dòng)汽車(chē)跑一兩百公里就不行了啊，那他們的電池管理算法究竟是怎么厲害的?。?/p>
首先，必須承認(rèn)把幾千節(jié)電池組成電池包來(lái)用，確實(shí)挺牛的，但是特斯拉跑得遠(yuǎn)真的和電池管理算法關(guān)系不大，重要是電池塞得多……而這樣的回答，一般都不能讓提問(wèn)者信服，這不得不說(shuō)是特斯拉營(yíng)銷(xiāo)的成功，讓普羅大眾相信算法是可以發(fā)電的。
圓柱形電池與層狀電池相比，缺點(diǎn)是非常明顯的：
a)體積利用率：圓柱形電池在成組時(shí)必然會(huì)比層狀電池占用更大的空間，從而影響車(chē)內(nèi)總體空間。
b)熱管理難度：層狀電池的接觸面積較大，更加有利于散熱和電池單體之間的熱平衡，BOLT的電池包可以控制單體溫差在2度之內(nèi)，對(duì)電池的一致性和耐久性有很好的提高。
c)一致性與可靠性：特斯拉ModelS一共有7000多個(gè)單體，而VOLT上只用了288個(gè)，單體太多導(dǎo)致的失效新增以及一致性問(wèn)題，可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而慢慢顯現(xiàn)出來(lái)
事實(shí)上，特斯拉之所以使用18650電池，更多出于價(jià)格和商務(wù)而不是技術(shù)上的考慮，當(dāng)時(shí)松下急于尋找合作伙伴，因此報(bào)出了低于成本的價(jià)格。而GM的全球供應(yīng)商體系較為完善，話語(yǔ)權(quán)也較多，因此有較大的空間去選擇技術(shù)上更先進(jìn)的供應(yīng)商。
3.電池路線之爭(zhēng)的核心問(wèn)題：電池安全
這里就要特別提到電池路線之爭(zhēng)的核心問(wèn)題：電池安全問(wèn)題。別看電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展得如火如荼，在量起來(lái)后頻發(fā)的著火爆炸事故有可能使這個(gè)行業(yè)倒掉；別看特斯拉如日中天，假如集中爆發(fā)安全問(wèn)題引起集中召回與賠償，公司也很難撐往住。
簡(jiǎn)而言之，安全問(wèn)題就是汽車(chē)公司的黑天鵝。忽視安全問(wèn)題，也許像是掙脫了枷鎖，可以發(fā)展得更快，但也面對(duì)著發(fā)展道路戛然而止的風(fēng)險(xiǎn)(也可能風(fēng)險(xiǎn)未爆發(fā)，從而取得先機(jī)，這叫機(jī)會(huì)主義路線)。而特斯拉在這方面，不得不說(shuō)是有點(diǎn)冒進(jìn)的：
下圖1是特斯拉的BMS，可以看出來(lái)左右兩個(gè)接插件都不是汽車(chē)級(jí)的，中間的兩個(gè)插排更像是調(diào)試接口，而不是產(chǎn)品，這種接口在IT上經(jīng)常使用，但是能否適應(yīng)車(chē)輛的惡劣環(huán)境還待考證。
使用的芯片方面，特斯拉的IT基因促使他們使用了一些IT行業(yè)的芯片，比如DSP、ARM、FPGA等。而通用則完全使用傳統(tǒng)的汽車(chē)級(jí)芯片，單片機(jī)一般都是飛思卡爾，硬件設(shè)計(jì)滿足ISO26262的ASILC等級(jí)。
在高壓安全方面，通用的方法是使用MSD（ManualServiceDisconnect），就是下圖這個(gè)黃色的接頭，這個(gè)黃色接頭可以從物理上斷開(kāi)電池包和外界的高壓，保證維修人員的安全。所有和高壓安全相關(guān)的信號(hào)，都采用了雙路備份處理，甚至專(zhuān)門(mén)為了電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙路CAN總線的冗余備份，確保高壓安全萬(wàn)無(wú)一失。
而特斯拉則為了節(jié)約成本，省去了這個(gè)零件，而是依靠高壓繼電器來(lái)進(jìn)行斷開(kāi)。這種方法，當(dāng)高壓繼電器發(fā)生粘連故障時(shí)，無(wú)法斷開(kāi)，有安全方面的風(fēng)險(xiǎn)。不過(guò)考慮到特斯拉的產(chǎn)量一個(gè)月也就幾千臺(tái)，量產(chǎn)時(shí)間也不長(zhǎng)，出現(xiàn)問(wèn)題的概率也不大。而假如量上來(lái)了，那可能會(huì)遇到問(wèn)題。
當(dāng)然，馬斯克能把火箭發(fā)上天再收回來(lái)，他對(duì)安全性、可靠性的理解也不會(huì)差。而上述的特斯拉的安全性、可靠性問(wèn)題，可能只是他的一種發(fā)展策略既然現(xiàn)在只能賣(mài)幾千的量，那就按照幾千的量來(lái)設(shè)計(jì)安全性；當(dāng)我能賣(mài)幾十萬(wàn)輛的時(shí)候，自然會(huì)按照幾十萬(wàn)的量來(lái)設(shè)計(jì)安全性。假如真是如此，不得不說(shuō)，特斯拉還是比傳統(tǒng)車(chē)企要靈活得多；假如不是這樣，那很可能在量上來(lái)后要出問(wèn)題。
