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电动车的锂电池,就两字:矫情!

che-wtx2020-05-22 12:01:52

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开始这片文章之前,补充上一篇文章《电动汽车、我们先别忙着点赞》里关于氢燃料电池的一个问题点。在这里也感谢飞灵的读者们提出的疑问和意见。文章里我所写的制氢法为现行的工业上常用的方法。我特意查过日本的方案:第一种就是在澳大利亚开采劣质褐煤粉化制备成甲烷,再高温加热制备氢气,这个过程消耗能量的同时且释放大量二氧化碳,不过是污染转移而已。当然将二氧化碳收集、通过气罐储存填埋是减缓污染的方法之一,但也只是将污染延后。第二种就是通过沼气的废水和风力发电水解,同样耗能而且不适合大量生产。所以目前来说,氢燃料电池电动车更像是偏执的丰田在为未来做的技术储备,离大面积推广也还有很远的路要走。


今天这篇文章我们依然不插广告,所以比较任性的找个好欺负的货撕逼了!没错,这倒霉孩子就是汽车动力电池君。撕掉它裹着厚厚的伪装,直视它的肉体和灵魂。


如果要我用两个字来评价目前的汽车动力锂电池,我的评价就两字:矫情!废话不多说,直接开门见山下手的“扒衣见君”。目前汽车江湖里山头最大的锂电池帮派最主要有三个,依次为:磷酸铁锂电池、钴酸锂电池和三元材料电池。前者多流窜于天朝,后两者则多流窜于岛国和棒子国。帮派势力的危险程度取决于单位体积的能量密度。(PS:江湖俗称的锂电池其实是锂离子电池,根正苗红的锂电池其实是以金属锂为负极,不可二次充电的一种电池,由于危险性大,很少用于日常电子产品。)



为何说锂电池矫情呢?

1、电池工作温度比较苛刻

电池在使用过程中对温度比较敏感,目前锂电池的工作温度范围宽为-20℃~60℃。以国内普及率最高的磷酸铁锂为例,零下温度锂电的充电会变得困难,而且充电之后,其0℃时的容量保持率约60~70%,-10℃时为40~55%,-20℃时为20~40%。而电池在环境温度超过60°时,随着电池工作的升温,锂电池有过热燃烧、爆炸的风险。换句话说,电池温控和电控比较差的锂电池电动车,冬天去了东三省就成了“病猫”,夏天去了吐鲁番就像背着“炸药包”。在目前的一些电动车的电池功率铭牌上最大容量的标称旁边,会伴随标注最佳充电温度,此温度一般为20~25°C之间。意思即为,在次充电温度下,电池才能在最短的时间里达到最大的容量。


目前汽车厂家在电池温度的控制上,都辅助有冷却系统,根据对电池温度的监控来决定是否开启冷却系统。而当放电环境恶劣,冷却系统无法有效解决电池温度过高的时候,电控系统里的保护电路就会通过温度传感器采集来的阀值决定是否关闭电路,来防止因为高温而带来的安全隐患发生。厂家一般会采取两个阀值信号,一个是报警温度,提醒驾驶者电池温度过高,尽量降低电池负荷。另一个是临界温度,系统强制切断保护。(一般厂家的高温报警设置温度为45°C,达到58°C就会断开开关)。同时,为了解决低温充电难和容量低的问题,多数厂家采用的是树脂材料包裹保温的策略。


而关于耐高温。目前磷酸铁锂电热峰值可达350℃~500℃,相对安全性要好,而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。所以目前占有市场份额最大的钴酸锂(特斯拉使用的18650锂电池),在安全性方面的隐患一直被诟病。


2、忌过冲和过放

江湖中不管是混的有头有脸,还是没头没脸的锂离子电池都非常害怕过充和过放。过充电时,过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中,无法再释放,可导致电池寿命短。过放电时,会导致锂离子的电化学反应不可逆,脱嵌过多锂离子,可导致晶格坍塌,一旦放电电压低于2.7V,将可能导致电池报废。同时锂离子电池对充电的要求也很高,它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的±1%(例如,充4.2V的锂离子电池,其允差为±0.042V),过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。


锂离子电池如果充电时间过长,发生的爆炸的可能性也会加大。因为锂的化学性质非常活泼,很容易燃烧,当电池充放电时,电池内部持续升温,活化过程中所产生的气体膨胀,使电池内压加大。压力达到一定程度,如外壳有伤痕,即会破裂,引起漏液、起火,甚至爆炸。


目前未来防止锂电池的过冲过放带来的安全问题,大部分厂家采取了多重的保护机制。一种是软件的防护,通过电控系统里增加保护电路,检测电池组的最高、最低单体电压、总电压、温度等的阀值。没有超出这些保护阀值时,通过计算电量SOC来上报输出能力,超过则切断输出来防止过充、过放、过载、过热(至于是切断电池单体、一个并联组还是整个电池,取决于布置的控制传感器的多少,越多电池越大,成本也越高,大部分厂家倾向于整体切断,整体切断存在一定的隐患,会让电动汽车突然的失速)。一种是物理的防护,通过在电池壳体增加防暴孔、防爆线,在电池正负极之间增加隔膜(隔膜目前基本依赖进口或者外资在中国的工厂生产)来防止高温产生的爆炸风险。排气孔、隔膜一旦激活,电池将永久失效。


3、电池存在一致性问题影响整体性能

由于动力电池是由多个单体电池串并联组成的电池组,单体电池的短路或者过放电等都会影响整体电池的输出。所以电池具有木桶效应,循环寿命和整体性能很难达到理论值。只有在电池性能高度一致时,寿命发挥才能接近单体电池的水平。而在现有的条件下,由于原材料工艺复杂难以把握、工艺制作及流程的控制不够精细、加工设备自动化程度不够高等原因,制作出来的电池一致性不佳,进而影响到电池的使用性能和整体寿命。


这三点是目前锂离子电池的共性问题,所以锂离子电池就像个矫情的小公举,使起性子来就得“大保健”伺候着。但是不同的锂离子电池中也存在差异性。我们通过一张表格来对比一下:


从表中我们可以看出,目前的锂离子电池在某些方面都存在明显的短板。而钴酸锂因为其较高的能量密度和较小的电池体积,在商用动力电池领域占有较高的份额。但是其较高的价格和不耐高温的安全性问题则一直被诟病。磷酸铁锂虽然循环次数高,价格相对较低,比能容也已经接近了钴酸锂的水平,但是因为它振实密度较低,电池尺寸较大,耐低温性能差,而且电池一致性较差(生产自动化程度低、实际会影响比能容和循环寿命),所以一直不能较好的运用到小型乘用车上。对于尺寸和重量较为敏感的小型乘用车来说,钴酸锂和三元锂依然是目前的首选。


说两点题外的东西。啥意思呢?看完大家可以自行思考:

锂例子电池的核心知识产权国际专利大多数都是美国、加拿大和日本的,专利情况如下:磷酸锂铁技术的核心专利由美国的A123(A123破产后被中国万向收购)、Valence和加拿大的Phostech笼断了技术市场; 三元锂电池专利则有一家美国的公司笼断了世界技术市场。


关于电动车续航里程问题,目前国内市面在售自主品牌电动车的最大续航里程,很多都是标称等速60km/h的工况下测定的,实际综合续航里程要大打折扣。即便标称的综合里程,也是在NEDC的四城市路谱工况下测定的,而由于滚阻系数又可调,所以你懂的····


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