鉅大LARGE | 點擊量：1091次 | 2021年04月06日
淺談電動汽車動力鋰電池的不同技術(shù)路線
1.鋰離子電池路線vs鎳氫電池路線
正如談純電動避不開特斯拉相同，談混合動力的時候，也都要和豐田普銳斯進行比較。
豐田普銳斯的混動系統(tǒng)構(gòu)型堪稱完美，近20年都無需大改，沿用至今。但其在電池類型的選擇上，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版本，鋰離子電池組，僅有56個Cells，而鎳氫電池組則有168個Cells，因此兩者在成本價格上相去不遠，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，可以預(yù)見到，豐田在不遠的將來，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）到插電的沃藍達、以及SPARK電動汽車，都堅決采用了鋰離子電池路線。最近看過一篇很有意思的文章《原來特斯拉的電動汽車技術(shù)來自于TA》，文中講到通用是鋰離子電池路線的倡導(dǎo)者，通用EV1項目的負責人和特斯拉Roadster也頗有淵源。通用涉足電動汽車的歷史可能要追溯到1990年（甚至更早），通用當年推出了一款電動汽車Impact，并供應(yīng)給用戶進行試用。
盡管該項目后來擱淺，試用的樣車也被盡數(shù)回收，但是通過該項目積累了大量的電動汽車相關(guān)經(jīng)驗和技術(shù)，用在后續(xù)的VOLT、BEV以及BOLT上。后續(xù)從VOLT開始，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，要了解同時代別的微混車都在用鉛酸。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，是第一個在所有從混動到純電動都使用鋰離子電池的廠家。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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，通用是鋰離子電池車用領(lǐng)域第一個吃螃蟹的人，這也是為何要把通用單獨拎出來，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。以2012年推出的第三代普銳斯鎳氫電池為例，1.3kWh容量，重量卻達到53.3kg，能量密度才24.4Wh/kg；而同時代通用推出的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LG的層狀電池60kWh,435kg,其能量密度達到了138Wh/kg，最近上市的君越混動版本，采用了第二代Voltech，使用1.5kWh電池包，可為60kW和54kW的兩個電機供應(yīng)動力，功率密度可見一斑。從這個角度來看，豐田還停留在中度混合動力的階段，以短時間降低油耗為目的，而對未來的戰(zhàn)略并不明朗；而通用是沖著深度混合動力方向去的，甚至為純電動做好了技術(shù)鋪墊，混合動力-插電式-純電動的技術(shù)路線已經(jīng)非常明確。
b)電池容量：
從電池容量來說，普銳斯的電池容量僅能供應(yīng)不到10公里的純電動行駛，而通用VOLT則可以供應(yīng)多達60km的純電動續(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)動機同等重要的位置上。也就是說，豐田的混合動力還是以發(fā)動機為主，比如研發(fā)了阿特金森循環(huán)發(fā)動機，而通用的混合動力則把電池放在了較為重要的地位。
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，但對溫度更加敏感，要設(shè)計復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)。例如，通用第二代VOLT設(shè)計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。而鎳氫電池對溫度敏感性較差，設(shè)計簡單的熱管理系統(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個電芯Cell，每個電芯包含2個電芯對CellPair）組成，外部由高壓壓鑄鋁板進行相應(yīng)的保護，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)計使得可以靈活配置電池組的外形與容量。
多個電芯組成的電池組
作為一名工程師，在我看來，特斯拉的電池管理水平已不低，但在通用這種老司機炫技一般的水平看來，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，以投入性價比為主；而通用則認為電池是動力系統(tǒng)的半壁江山，對電池及其管理技術(shù)進行了深入研究。
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工程師向往的公司：摩托羅拉與索尼。不管怎么說吧，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
雖然題目是混動流派之爭，但我還是忍不住要和特斯拉的電池比較一下。無論混動還是純電動，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，經(jīng)常有人問，特斯拉的電池管理算法太厲害了，可以使電動汽車跑400公里，而一般的電動汽車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，必須承認把幾千節(jié)電池組成電池包來用，確實挺牛的，但是特斯拉跑得遠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，一般都不能讓提問者信服，這不得不說是特斯拉營銷的成功，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，缺點是非常明顯的：
a)體積利用率：圓柱形電池在成組時必然會比層狀電池占用更大的空間，從而影響車內(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多個單體，而VOLT上只用了288個，單體太多導(dǎo)致的失效新增以及一致性問題，可能會隨著時間的推移而慢慢顯現(xiàn)出來
事實上，特斯拉之所以使用18650電池，更多出于價格和商務(wù)而不是技術(shù)上的考慮，當時松下急于尋找合作伙伴，因此報出了低于成本的價格。而GM的全球供應(yīng)商體系較為完善，話語權(quán)也較多，因此有較大的空間去選擇技術(shù)上更先進的供應(yīng)商。
3.電池路線之爭的核心問題：電池安全
這里就要特別提到電池路線之爭的核心問題：電池安全問題。別看電動汽車發(fā)展得如火如荼，在量起來后頻發(fā)的著火爆炸事故有可能使這個行業(yè)倒掉；別看特斯拉如日中天，假如集中爆發(fā)安全問題引起集中召回與賠償，公司也很難撐往住。
簡而言之，安全問題就是汽車公司的黑天鵝。忽視安全問題，也許像是掙脫了枷鎖，可以發(fā)展得更快，但也面對著發(fā)展道路戛然而止的風險(也可能風險未爆發(fā)，從而取得先機，這叫機會主義路線)。而特斯拉在這方面，不得不說是有點冒進的：
下圖1是特斯拉的BMS，可以看出來左右兩個接插件都不是汽車級的，中間的兩個插排更像是調(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)的汽車級芯片，單片機一般都是飛思卡爾，硬件設(shè)計滿足ISO26262的ASILC等級。
在高壓安全方面，通用的方法是使用MSD（ManualServiceDisconnect），就是下圖這個黃色的接頭，這個黃色接頭可以從物理上斷開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，都采用了雙路備份處理，甚至專門為了電池管理系統(tǒng)設(shè)計了雙路CAN總線的冗余備份，確保高壓安全萬無一失。
而特斯拉則為了節(jié)約成本，省去了這個零件，而是依靠高壓繼電器來進行斷開。這種方法，當高壓繼電器發(fā)生粘連故障時，無法斷開，有安全方面的風險。不過考慮到特斯拉的產(chǎn)量一個月也就幾千臺，量產(chǎn)時間也不長，出現(xiàn)問題的概率也不大。而假如量上來了，那可能會遇到問題。
當然，馬斯克能把火箭發(fā)上天再收回來，他對安全性、可靠性的理解也不會差。而上述的特斯拉的安全性、可靠性問題，可能只是他的一種發(fā)展策略既然現(xiàn)在只能賣幾千的量，那就按照幾千的量來設(shè)計安全性；當我能賣幾十萬輛的時候，自然會按照幾十萬的量來設(shè)計安全性。假如真是如此，不得不說，特斯拉還是比傳統(tǒng)車企要靈活得多；假如不是這樣，那很可能在量上來后要出問題。
