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电动汽车可不是组装电池和电机这么简单2019iyiou

发布时间:2019-05-14 17:28:10 编辑:笔名

电动汽车可不是组装电池和电机这么简单!

帝都雾霾袭城,机动车被列为雾霾 元凶 之一,低碳环保的电动汽车或许又要迎来新一轮的大跃进。电动汽车何时才能规模化替代燃油汽车?从各方争议焦点来看,充电设施是障碍之一,另外电动汽车电池、电机路线也是剪不断理还乱。要想判断何时才是电动汽车爆发 前夜 ,你一定要读读这篇科普好文。

2015年是全世界电动汽车大跃进的一年。十月,根据前9个月的销量,各方预期,2015年世界新能源汽车(含混合动力车)次突破50万辆,相比于2014年37万辆的数字,增长率达到了50%以上。同时,媒体报道了一组激动人心的数字:

两个中国品牌,位列销量前十。

10月25日,北京公布重磅利好,新能源汽车取消限购,申请人可以直接获得购车资格。

十一月,第25届世界电动车大会在深圳召开, 中国电动汽车之父 陈清泉院士,提出利用互联进一步挖掘电动汽车作为储能载体的价值。

天时地利人和,中国电动汽车企业全部占尽,中国似乎已经成为了世界电动汽车产业的中心 即使算上特斯拉的故乡加州,至少也算得上中心之一。

汽车产业弯道超车的梦想实现了!然而实现了吗?目前的情况是政策推进与资本狂飙的一时狂欢,还是切切实实的是未来的前奏?悲观和乐观的论调,在国内众多媒体上都随处可见:

悲观者说:目前电动汽车技术尚未成熟,就世界范围来看,电动汽车对内燃机汽车的替代性不足;老生常谈的电池进步缓慢,金属空气电池等新潮技术离应用尚远 目前中国电动汽车的需求,是补贴+政策+资本造成的一时行情而已 任重而道远。

乐观者说:新技术的发展本来就需要资本和政策的加速,小米和华为的故事也证明,中国的品牌是能够发展出高端形象的,况且比亚迪的成就已经不容小觑

即使是平庸不过的人,也能够看到每日每夜不止息的量变,但是伟大的人,即使是在质变的前夜,也不能判断质变即将来临。笔者自己也不能够做出多么明智的判断,看着若口水仗般争论不休的各路报告,笔者想起了和德国同事的一次对话:

同事:我听说,中国的很多充电桩都是依靠政府建造的?

我:不仅仅是政府,还有众多国有企业。

同事:在德国,如果你的单位不提供充电桩,你可能就需要自己买一个充电桩放在家门口了。我们总是在讨论为什么德国那么多车企造却不出特斯拉,现在看原因并不难找。

就在昨天,这位同事去提他的新车,一辆宝马。虽然他说,我要是有足够的钱,一定会买一辆特斯拉,但是从他数次炫耀在德国没有限速的高速公路上飙车的经历来看,我猜他只是说说而已。

我的导师,慕尼黑工业大学Lienkamp教授在2014年出版了一本向社会免费开放的新书《Status of electrical mobility 2014》中说道: 虽说电动汽车有种种的缺陷,但我还从未见过一个已经拥有一辆电动汽车的驾驶员,重新投向传统汽车的怀抱。即使是一辆普通的电动汽车带给你的驾驶的快乐,也是一辆汽油车无法比拟的。

事实是残酷的,相信国内的纯电动汽车车主也多多少少遇到过这两位朋友的情况。这样的汽车,真的能够让车主不重新投回传统汽车的怀抱么?

电池之争

众所周知,电动汽车的核心是电池。有多核心呢?一组数据:

一辆普通的电动汽车,在欧洲标准测试下,百公里能耗约为17kWh,即17度电。Thomas Pesce博士研究了紧凑型车在配置下的能耗,不考虑成本的情况下,利用现有的可购买的技术,得到的百公里能耗结果为15kWh稍多。

这就意味着,在短期试图通过优化汽车本身效率来降低能耗,即使不考虑所带来的额外成本,节能效果也是比较微小的。

拿特斯拉85kWh的电池组为例,标称行驶距离为500km,如果能耗经过多方努力降低为15kWh/100km,则行驶距离可以提升至560km。

所以可以说,汽车的续航能力是和电池组的容量成正比的,且比例系数相对固定。那么从这个角度看,使用能量密度较高(单位重量的能量Wh/kg与单位体积的能量Wh/L都需要考虑)的电池,对提升电动汽车的性能就具有重要的意义,因为在电动汽车中,电池占据了很大一部分的总重量。

用什么电池?

各种锂离子电池既是大家期望深,也是现在采用广泛的电池。汽车采用的锂电池主要有镍钴锰酸锂三元电池(NCM),镍钴铝酸锂电池(NCA)和有磷酸铁锂电池(LPF)。三种电池的性能对比如下图:

1 镍钴锰酸锂三元电池NCM

因为较低的产热率,相对较好的稳定性,较长的寿命,以及150 220Wh/kg的能量密度,NCM电池被国外众多电动汽车采用。

2 NCA镍钴铝酸锂电池

特斯拉采用的即为此电池。能量密度很高,在Wh/kg,并且有望很快达到300Wh/kg 。主要问题是,目前只有松下一家能够生产此电池,价格高企,且安全性在这三种锂电池中差,需要高性能的散热与电池管理系统。

其主要性能指标如下表:

3 LPF磷酸铁锂电池

我们来看国产电动汽车使用多的LPF电池。这类电池的缺点就是能量密度很低,只能达到Wh/kg。此外,LPF还具有较高的自放电率。这都是电动汽车制造者所不希望的。LPF在国内的广泛采用更像是国内厂商对昂贵的电池管理与散热系统的妥协 LPF电池具有非常高的稳定性和安全性,即使使用较差的电池管理系统,也能够保证稳定的运行和较长的电池寿命。这一特点带来的另一好处是,部分LPF电池具有极高的放电功率密度,可以提高汽车动力性能。此外,LPF电池的价格也比较低,因此适合国内电动汽车目前低端、低价的策略。但是是否要作为未来的电池技术大力发展,还需打个问号。

大电池or小电池

一款普通电动汽车的电池应该多大?是采用特斯拉数千个电池串并联的电池组还是采用比亚迪很少的几个大电池搭建出的电池组?这是一个尚在研究中的问题,目前并没有一个确切的答案。这里只介绍大电池和小电池构成电池组的各自特点。

当电池较小时,电池的总散热面积会比较大,可以通过合理的散热设计对整个电池组的温度进行有效的控制,防止高温加速减损电池的寿命。一般单体容量较小的电池功率、能量密度也会更高。,更重要的一点,一般来说,单体电池的能量越少,整车的安全性就更高。一个由大量小电池构成的电池组,即使一个单体出了问题,也不至于造成太大的问题。但是如果一个容量很大的电池内部出了问题,安全隐患则大得多。因此大电池需要更多的保护装置,这就进一步降低了大电池构成的电池组的能量密度。

但是,采用特斯拉的方案,劣势也是明显的。数千个电池,需要极其复杂的电池管理系统,带来的额外成本也不可小觑。在大众E-Golf上采用的BMS(电池管理系统),一个子模块能够管理12个电池,价格是17美元。按照特斯拉采用的电池数量估算,即使自主研发的BMS成本较低,特斯拉投入在BMS上的成本也在5000美元以上,占整车成本的5%以上。由此看来,并不能一味的说大电池不好。在BMS价格尚未明显降低的情况下,应该根据汽车的定位来决定电池组的大小。

电机之争

电机作为电动汽车中另一项核心技术,常常成为讨论的核心,尤其是特斯拉那台西瓜大小却有着跑车性能的电机,更是让人瞠目结舌(Model S的电机峰值功率能够达到300kW以上,转矩600Nm,峰值功率已经接近高速动车组单台电机的功率)。然而这款电机真的有这么特殊么?

笔者有幸读到过德国汽车业内研究者的评价,摘录两段如下:

Tesla uses almost nothing except conventional components (aluminum body, asynchronous motor for propulsion, conventional chassis technology with air suspension, ESP and a conventional brake system with electrical vacuum pump, laptop cells etc.)

特斯拉使用的都是传统的零件,铝制车身、异步电机、传统的汽车结构、刹车系统和笔记本电脑电池等等。

The only genuine innovation lies in the technology linking up the battery cells, which uses bonding wires that Tesla has patented, as well as battery management system that can be flashed over the air , meaning that the vehicle no longer needs to drive to a workshop to receive software updates.

特斯拉的天才发明,在于他们对电池的处理上。他们使用了特殊的电池连接线,和能够直接无线联而不需要返厂更新软件的BMS。

其实特斯拉的高功率密度异步电机也并没有太新奇。在特斯拉早的Roadster车型上,采用的就是台湾富田电机的产品,参数和Model S公布的参数并没有太大差距。在目前的研究中,国内外学者均有低成本高功率电机的设计方案,可以迅速拿来投入生产。所以在看待这个领域时,要避免神话特斯拉 特斯拉的电机确实足够好,但并没有好到让别人都造不出来。

在众多的电机类型里,通常用于电动汽车的主要有异步电机(也称感应电机)、外励磁同步电机、永磁同步电机和混合型同步电机。前三种电机的相信对电动汽车有所了解的人,都会有一些基本的概念,异步电机成本低可靠性高,永磁同步电机功率密度和效率高,体积小但是价格高昂,高速段控制复杂。

混合型同步电机大家可能听说较少,但近,许多欧洲的电机供应商开始提供这样的电机,功率密度和效率非常高,过载能力强,但是控制难度并不大,非常适合电动汽车。这款电机也并无特殊之处,和永磁同步电机相比,转子上除了永磁体以外,还增加了类似于传统同步电机的励磁绕组。这样的电机,既拥有了永磁体带来的高功率密度,又可以通过励磁绕组根据需求调节磁场,可以较为容易的在各个速度段进行控制。典型的如瑞士BRUSA公司生产的HSM1系列电机,其中HSM.18.22特性曲线如下图,功率220kW,转矩460Nm,但其体积仅为24L(直径30厘米,长34厘米),重约76kg。功率密度和转矩密度与特斯拉的产品基本相当。当然,价格也不菲,这一台电机配上变频器,售价在11000欧元左右。

对于电动汽车的需求,电机技术积累已经足够成熟。目前缺乏的只是专为电动汽车设计的电机,而不是制造这样电机的技术。相信随着市场的逐渐成熟和发展,高功率密度的电机会越来越普及,售价也会越来越亲民。

对于电动汽车的需求,电机技术在笔者看来已经比较成熟,目前只是缺乏专为电动汽车设计的电机,而不是缺乏这样的技术。相信随着市场的逐渐成熟和发展,高功率密度的电机会越来越普及,售价也会越来越亲民。

电动汽车的研究需要回归本质。电动汽车的本质是安全的、人们用得起的交通工具而已,而不是一个移动的科技实验室,并不一定要采用、时髦的科技。归根结底,还是应该按照地区的需求,接地气的进行规划设计。

但在国内,更需要指出的是,电动汽车和不一样,这样一个复杂的系统,并不是一个团队几个人,融资百万至千万就能够轻轻松松干起来的。在技术上,电动汽车同时涉及功率、信号、机械、电气等多方面,不仅仅需要能用,更需要稳定可靠和安全。要知道,即使是特斯拉十年磨一剑生产出的款车型Roadster,也具有很多可靠性问题,并终引发了大规模召回。

电动汽车和的市场特点更加不同,可以购买两年之后就弃之不用,消费者的决策更加审慎,需求的差异化也更大。纵观汽车百年汽车产业历史,还没有哪一个汽车的市场占有率能够像苹果在市场一样,达到压倒性多数。汽车需求的差异现象是客观存在的。汽车的设计与定位必须瞄准明确的消费群体。

特斯拉的出现,已经向人们表明,未来一定是属于电动汽车的。而未来的电动汽车是什么样子的,未来的中国能够在电动汽车产业中占有怎样的地位,还都是未知数。这也正是产业工作的魅力所在:和自然科学不同,即使是社会科学规律所昭示的必然结果,也需要人们经过艰苦的探索和努力才能实现!(【无所不能特约作者,常丰祺,现于慕尼黑工业大学攻读电动汽车工程博士,主要研究方向为模块化电力驱动系统】)

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