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比亚迪电动车磷酸铁锂电池优势解读 [复制链接]

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新能源汽车分析之磷酸铁锂

  本期笔者主要讨论电动汽车的心脏—电池。

  为什么说电池是电动汽车的心脏?这要先从电动汽车的历史说起。一说起电动新能源车,很容易将其归纳为一个全新的技术以及事物。其实,电动车的历史远比想象的早,甚至早于燃油汽车。美国人托马斯·达文波特于1834年制造出第一辆直流电机驱动的电动车;1838年苏格兰人罗伯特·戴维森发明了电驱动的火车;时至今日依然使用的有轨电车是1840年在英国出现的专利。世界上第一辆电动汽车于1881年诞生,发明人为法国工程师古斯塔夫?特鲁夫,这是一辆用铅酸电池为动力的三轮车。之后就出现了以铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等燃料电池作为电力。

  可以看到,虽然电动汽车早于燃油车发展,并在早期取得了一定的规模,但在近代,由于燃油汽车的大力发展,使电动汽车在竞争中受挫。但真正的问题是,过去以铅酸电池为主的电动车,受制于铅酸电池的密度、寿命、功率等多方面**,一直没有办法在动力源,也就是电池方面取得突破,以至于使电动汽车发展陷入停滞。

  锂电池的分类及优缺点

  这一问题直到锂电池的出现且经20年大力发展才得以逐步改善解决。

  锂电池通常分两大类:

  锂金属电池:锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

  锂离子电池:锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

  虽然锂金属电池的能量密度高,理论上能达到3860瓦/公斤。但是由于其**质不够稳定而且不能充电,所以无法作为反复使用的动力电池。而锂离子电池由于具有反复充电的能力,被作为主要的动力电池发展。但因为其配合不同的元素,组成的正极材料在各方面**能差异很大,导致业内对正极材料路线的纷争加大。

  通常我们说得最多的动力电池主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元锂电池(三元镍钴锰)。

  以上各类电池都有优缺点,大致归纳为:

  磷酸铁锂:

  优点:寿命长、充放电倍率大、安全**好、高温**好、元素无害、成本低。

  缺点:能量密度低、振实密度低(体积密度)。

    三元锂:

  优点:能量密度高、振实密度高。

  缺点:安全**差、耐高温**差、寿命差、大功率放电差、元素有毒(三元锂电池大功率充放电后温度急剧升高,高温后释放氧气极容易燃烧)。

  锰酸锂:

  优点:振实密度高、成本低。

  缺点:耐高温**差,锰酸锂长时间使用后温度急剧升高,电池寿命衰减严重(比如日产电动车LEAF)。

  钴酸锂:

  通常用于3C产品,安全**极差,不适合做动力电池。

  理论上,我们需要的电池应该是能量密度高、体积密度高、安全**好、耐高温低温、循环寿命长、无毒无害、可大功率充放电,聚所有优点为一体而且低成本。但目前并不存在这样的电池,那么在不同种类电池的优缺点中就需要取舍。而且,不同的电动车对电池的需求点也是不同的,因此只有立足于长远地对电动汽车作出判断,才能有利于我们正确地判断电池路线的选择。

  磷酸铁锂电池的优越**

  这里就需要回溯前两篇的论述,我们分析了未来的电动汽车应该以小里程、快充电的电动汽车为主。而目前家用车需要长续航的双模混合动力,以及公交市场的大续航纯电汽车。那么这样的车需要什么样的电池?

  一、安全

  首先安全是汽车必备的前提。汽车不同于手机和电脑,汽车在高速行驶中有可能遇到众多不可预知因素,比如车祸造成的电池挤压和撞击。而任何一个不利的因素,都有可能造车车毁人亡。我们可以看到一些老年代步车使用劣质的铅酸电池,完全没有安全保障,电池自燃、受撞击燃烧的案例比比皆是。再比如特斯拉近一年的连续着火事件,虽然得利于特斯拉的安全设计并没有出现人员伤亡。但同时也要看到,这几次事件都是非常轻微的碰撞事故,碰撞本身对车和人并无伤害,而电池却着火了,那么如果是更严重的事故呢?

  二、高倍率放电寿命

  普通汽车使用寿命长达数十年,一辆电动汽车的电池,10年至少需要3000次的循环寿命。电池作为比较贵的部件,寿命能否与车等同是非常重要的,既要保证车辆的**能又要保证车主的利益,这样才能利于市场的推动。目前世界各车企的电动汽车,只有去年上市的比亚迪“秦”做到了电芯终生质保。

    电池的寿命也就是循环寿命,并非简单的电池参数给出的数字。电池的循环寿命和电池的循环状态是息息相关的,比如放电倍率、充电倍率、温度等。通常电池实验室数据得出的循环寿命,是以0.3C恒定的充放电倍率,在20度恒定最佳温度下得到的。但是在实际用车过程中,倍率和温度都是非恒定的。这也就是为什么通常无论是笔记本、手机,还是电瓶车的电池,实际使用中的寿命都远远不如厂商给出的数据的原因。而中小里程纯电以及长续航双模混合动力车,因为所带的电池比较少,对其放电的要求就会更高,对寿命的影响就会更大。

  比如A123的磷酸铁锂电池,通常循环寿命可以到3000次以上。但是,A123的磷酸铁锂航模电池,以10C的充电倍率、5C的放电倍率使用,实验室中的寿命缩短到只有600次,而真正实际使用中只有400次左右,可见放电倍率对寿命的影响。

  再以比亚迪“秦”为例,只有13KWH的电池驱动峰值功率110KW的电机。可以计算出,当“秦”满电时其最大放电倍率高达8.4C。尤其是当“秦”只有50%电量时,其最大放电倍率可以达到18C。如果电量再低放电倍率将超过25C,这会极大地缩短电池的寿命。

  再看P85度电的特斯拉,最大功率310KW的电机,看起来很庞大,其实电池放电倍率不过4C。在只有30%的电量时,最大放电倍率也不过10C。而且特斯拉的大容量电池,在极大程度上避免电池处于大功率的放电之中。

  通过简单的对比,就可以看出比亚迪电池的高倍率放电寿命的优越**。

  三、温度适应**

  极寒对电池的影响,主要表现在充放电倍率低和电容量减少;极热对电池的影响,主要表现为寿命减低、高温安全**以及充放电能力下降。

  极寒对于电池的影响相对较轻,因为一般锂电池都可以在零下20度以下使用,而且在电池的放电过程中本身就会产生热量,但能耗的增加以及电量的减少不可避免。

  极寒对纯电车的影响和对双模混合动力车又不一样。纯电动车因为没有其他动力来源,在极寒情况下要达到合适的温度,必须依靠电池放电加热,那么对于能耗以及续航里程就会有很大影响。特斯拉在冬天无论是百公里能耗以及续航里程都和平时有显著不同。

  对于双模混合动力影响就较弱。因为混动有发动机作为备用提供能量。比如去年11月份比亚迪在包头举行的“秦”推广活动,当时夜间气温在零下15至20度,在早晨极寒的情况下启动车辆,系统会自动切换到HEV模式,发动机带动空调,迅速提高车内温度,当温度提高以后再切换回EV模式。

  极热对纯电和混动影响都很大,比如电池本身大功率放电温度就会升高。以普通锂离子电池为例,20C的放电,电池的温度可以提升到接近50度。这么高的温度,不仅对电池的寿命有影响,更重要的是安全隐患。比如特斯拉的三元电池在高温环境下会释放氧气,而氧气是易燃物体。特斯拉通过循环冷却系统降低温度、以硬外壳包裹隔离电池以防止氧气溢出。但是当遇到撞击时还是难免起火。

  四、能量密度

  能量密度,顾名思义就是单位重量的电池所能容纳的能量。能量密度通常是判断电池优略的重要指标,但是在笔者的分析体系里,能量密度在电池**能指标中不是很重要。

    原因有两个:

  1.能量密度必须结合其他**能。比如磷酸铁锂电池的能量密度确实不高。但是因为其安全稳定耐高温等特点,以磷酸铁锂为电芯所组成的电池极为简单,不需要太多保护辅助设备。而特斯拉的三元电池虽然电池电芯密度很高,但由于其安全**差不耐高温,所以必须结合一套复杂的电池保护设备,而这些设备都加大了汽车的重量。有报道称在发生连续燃烧事故后,特斯拉又准备加厚电池保护设备,这就将三元电池的能量密度优势消弱了。

  2.重量对于汽车的影响不大,特别是对于未来电动汽车的主流趋势混合动力以及小里程纯电动汽车。我们可以设想,以130千瓦时/公斤能量密度和200千瓦时/公斤能量密度的电池做一个对比。即使是最大的80度总电量,两种电池的重量差不过200KG。

  这对于一辆接近2吨的汽车影响很低。

  因此笔者认为,尽管电池的能量密度自然是越大越好,但并不必要刻意追求最大。特别是能量密度越大越不稳定,这是基本常识。只要达到够用的程度,能量密度不是太重要。

  五、成本

  成本非常好理解,要广泛普及必须要有成本优势,这在本系列第一篇也已经计算过。小里程纯电或者混动电动车,一方面需要减少车载电池量节约电芯成本,另一方面需要降低电池包+保护设备的成本。因此我们发现,特斯拉的电芯成本虽然较低,但是整体成本依然居高不下。

  通过以上论述我们知道,不同锂离子电池都有天然优点和缺点。但重要的是,如何对未来电动车发展的重点要素排序,这样才能选出适合潮流的电池。综上,从安全、寿命、放电能力、温度适应、能量密度、成本等因素综合考虑,笔者认为磷酸铁锂电池最适合未来电动汽车电池的发展方向。

  比亚迪电动汽车为何选用磷酸铁锂电池?

  电池和充电是新能源车发展战略的两大瓶颈。相对充电站建设来说,电池**能的改进更需要"硬实力"。在电池技术上,业内也有一些不同的声音,基本的共识是锂电池是发展方向,国内应用最多的锂电池是磷酸铁锂电池。那么磷酸铁锂电池**能有哪些优点呢?

  "电池是新能源车的核心。到底国内各新能源厂家使用的是什么电池,它们的优点和缺点是什么?电池的使用寿命多长?"作为政府部门,国家要求优先采购新能源车,但实际上许多采购人对其并不了解,对各厂家使用的是什么电池,以及为何要选择此类电池等核心话题更是知之寥寥。

  目前国内主流新能源整车厂家有江淮、长安、北汽、上汽荣威、比亚迪等,"这些厂家主要生产纯电动车、插电式混合动力,这与国家的新能源汽车战略非常契合。"长安汽车股份有限公司副总裁杜毅表示,国家大力发展新能源车,主要是希望纯电动车能尽快达到国际汽车先进水平,实现弯道超车。

  磷酸铁锂电池优势明显

  "目前国内主流新能源厂家使用的基本都是磷酸铁锂电池。"江淮汽车乘用车营销公司新能源营销部副部长方良海向记者介绍说。

  荣威550PLUG-IN插电式混合动力车,采用的也是磷酸铁锂动力电池。

    为什么众厂家同时选择磷酸铁锂电池?

  北汽集团副总工程师林逸表示,这种电池具有能量密度高、循环寿命长、安全**好、自放电小以及绿色环保等优点。具体来说,磷酸铁锂电池能量密度高,充放电效率较高,倍率放电情况下充放电效率可达90%以上;循环寿命达到2000次以上,标准充电(5小时率)使用,可达到2000次,**能价比超过普通电池的4倍以上;安全**好,**能比较稳定,目前,北汽E150EV产品已经示范运营行驶2000万公里,无重大安全事故发生;绿色环保,磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属,无毒,无污染;另外,高温**能好,电池稳定工作温度环境-20℃至75℃。

  江淮电动车选择的也是磷酸铁锂电池。方良海认为其技术相对成熟、价格便宜,而且更环保,回收后,废掉的电池还可以用做储能。

  电池使用寿命最少10年

  纯电动车依靠电池来驱动,那么电池的使用寿命到底能有多长?是否使用几年后电池就不行了?

  江淮纯电动车爱意为是较早投放市场的新能源车之一,已有丰富的市场经验。方良海介绍,目前有的江淮纯电动车已经跑了10万公里,经过测验发现,电池损耗还不到20%。换句话说,江淮iEV一次充满电可以跑100公里,但跑了10万公里后,充满电还能跑80公里。

  林逸也表示,磷酸铁锂电池可满充满放2000次,按照一年充200次计算(平均1.8天充一次),最少可以10年。

  另外,据记者了解,新能源车有5年/10万公里的质保,如果在此期间电池出现问题,厂家免费更换电池。

  "其实更换电池并不像大家想象的那么复杂,一组电池是由单体组成的,一般不会整组电池出现问题,只要换单体就行了,成本价只要一两百元。"方良海表示,厂家会尽最大可能给消费者提供便利。



  电池**能由管理系统决定

  虽然使用的都是磷酸铁锂电池,但各厂家最终呈现在消费者面前的新能源车型的技术和**能却有很大差别。

  上汽乘用车公司技术中心副**、捷能公司总经理朱军先生介绍,荣威550插电式混合动力车所用的动力电池经过了严苛的碰撞、火烧等试验检测,同时整车设计了多层次高压安全防护体系。另外,还配备了远程实时监控系统,一旦出现电池电量过低、车辆数据异常、系统报警等情况,车辆智能信息控制系统会点亮报警灯,提醒驾驶员车辆出现异常,从根本上保护驾乘者的安全。

  正如方良海所说:"电池是死的,管理系统才是最核心的。"例如有时候车辆会突然掉电,这可能是车辆温度高了。江淮给电池设定了自动保护系统,这只是江淮iEV电动车为电池设定的安全保护措施中的一个方面而已,"这些都是江淮纯电动车经过市场体验后一步步完善的。"

  电池成本以及电池重量

  江淮:电池成本大概5万元,现在一辆车有两组电池,重约200kg。

  上汽:加入电池组后,荣威550PLUG-IN车重增加了约200kg。荣威550PLUG-IN正常使用状态下充满电大约需要9-10度电,以电费0.5元一度计算,充满仅花费5元。

  北汽:目前北汽E150EV磷酸铁锂电池的成本为3500元/kwh。

  比亚迪:电池重量约600kg,一辆车电池成本大概13万元。

    充电时间以及快速充电

  从电池零电量到完全充满大约需要8个小时左右,这是在试验条件下得来的。日常驾驶中电池电量不可能用到零,一般最低也就是剩余10%到20%的电量。也就是说,正常使用时一般6小时左右便可充满。

  现在,有不少人希望能实现快速充电,即用半个小时或者一个小时就充满电。汽车厂家并不赞同这种方式,因为这会损害电池的使用寿命。

  行驶里程

  江淮:160公里左右。

  长安:160公里左右。

  比亚迪:300公里左右,但这是以增加电池和车重为前提的,其电池的重量大概是其他厂家的3倍。

  上汽:在电量充足、不猛踩加速踏板的情况下,车辆不会轻易启动发动机,纯电行驶里程能达到58km。

  无需专门充电桩

  这几种电动车均不需要专门的充电桩进行充电,家用220V电源就可以,10安培以上的插座也符合要求。如果有条件的话,也可在国家电网充电桩进行充电,厂商也会协助用户安装充电桩。

  厂商声音

  新能源电池研发不能急功近利

  作为纳斯达克上市公司,深圳市比克电池有限公司在动力电池研究领域具有一定影响,其动力电池已经成功装配奇瑞、东风裕隆、宇通等汽车品牌。



  深圳市比克电池有限公司工程师宋琦表示,目前国内主流动力锂电池有磷酸铁锂、三元材料、锰酸锂和钛酸锂等不同技术体系,它们各有优缺点。应用在电动汽车上时,各类动力电池都需要解决能量密度、安全稳定**、循环寿命、成本控制等方面的问题。

  我国政府及很多企业都把发展新能源汽车作为未来发展战略方向。宋琦表示,总体来看,这会大大促进新能源产业发展,但同时,发展新能源汽车和动力电池也不能急功近利,关键是要把基础打好,才能真正发挥政策的扶持作用。

  "拿动力电池来说,客观上,我们还有很多方面没有准备好。比如核心技术、关键材料、生产工艺设备等方面基本都是从国外引进的,很少有我们自己的原创,这样怎么可能真正发展好?"宋琦表示,"所以无论是政府还是企业都不能急功近利,电池技术的发展需要一个过程,发达国家在这方面具有经验优势,我们在这方面还有许多准备工作要做。只有自己准备好了,当机会来的时候才能把握住。"

  专家观点

  国内动力电池工艺有待提升

  目前,国内新能源车锂电池技术体系大致包括磷酸铁锂、三元材料、锰酸锂和钛酸锂等体系,不同厂家选择的路线略有不同。

  据上海清洁能源研究与产业促进中心主管虞俭介绍,当前国内的磷酸铁锂电池已经有了很多技术进步,基本可以满足新能源车特别是混合动力汽车的需要。

  虞俭认为,国内新能源电池产业存在的主要问题是工艺相对落后、产业工人素质还需要提高。

  "目前在世界新能源电池产业比较发达的国家中,美国和日本的新能源电池制造工艺是最先进的。在核心设备上,美日都没对我国放开市场。所以我们国内的电池厂家要么自己摸索制造,要么引进韩国的技术,但总体上与世界先进工艺还有较大的差距。"虞俭表示。

  另外,由于国内新能源电池产业发展时间较短,产业工人的素质普遍不高,加上各厂家的人才吸引及激励机制不健全,导致人才流失严重,这也影响了国内新能源电池产业生产能力的提高。

  对于新能源车电池未来技术发展,虞俭认为,三元电池在日本发展相对成熟并已经引进中国,但是其热控制等环节也有关键技术需要突破,其应用推广不需时日。

  国家也非常重视新能源电池的研发。在前段时间工信部、财政部、科技部、国家发改委等四部委发布的《关于进一步做好新能源汽车推广应用工作的通知》中,都有涉及新能源电池发展的内容。可见国家对新能源电池发展的重视。

  目前,特斯拉电动车比较火。但虞俭并不看好其发展前景。"新能源车业界大都不看好特斯拉未来的发展,因为它并没突破核心技术。当然,它的工艺水平、整合能力、对用户需求的满足度等方面有很多值得国内企业借鉴的地方。说白了,特斯拉更像苹果手机,在功能**和用户体验方面做得比其他企业好一些。"虞俭认为。
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