三元锂电池经IGBT(三元锂电池经常短时间充电影响寿命)

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简述纯电动汽车动力路线?

纯电动汽车,以蓄电池、燃料电池、超级电容器或高速飞轮等作相应的动力电源,提供给动力电机电能,以电动机驱动车辆行驶。并在电动机控制系统的控制下,实时控制驱动电机的功率和速度。

畅巡车型的三电系统可靠性分析

新冠肺炎疫情爆发之后,被困狭小的居室内接近3周,平时不曾过多关注的路上风景,现在却令我感受到了久违的新鲜气息。值得庆幸的是作为有车一族的我可以自驾上班,远离公共交通,避免交叉感染,一辆爱车给复工的我带来了全方位的保护。

可以说,在抗疫期间,一辆车子可以为自己、为家人带来除口罩之外的双重安全保护。

提到安全保护,作为汽车行业业内人士,相比传统燃油车,新能源电动汽车的安全表现也是我的重点关注对象。电动化狂潮下,2020年,合资大厂品牌、国内自主品牌、外资品牌也会按照战略规划,相继推出自己的旗舰新能源车型。

电动车在面向市场之前,与传统燃油车一样,会经历繁复、严苛的安全测试和认证。大众、通用、本田、丰田都在深耕电动车方向,其中电动车的安全性更是重中之重。

利益相关,作为业内人士,接触通用系的项目最多。说起来,通用在中国推纯电动车也就是近十几年才开始发展起来,其实早在一个世纪之前,通用汽车就已经开始探索电气化的未来之路,可以说是电动车鼻祖之一。

据悉,2020年2月底通用即将上市“雪佛兰雪佛兰畅巡”车型。定位纯电城际轿跑的雪佛兰畅巡,融合了上汽通用汽车母公司双方在新能源及车联网技术方面的优势资源,区别于传统驱动技术,动力采用智能三电系统,即高性能电驱动系统、3x3电控系统、三元锂电池系统构成。三种系统有效配合,驾乘者体验到前所未有的驾驶感,更告别能耗负担,成为环保先行者。

那么,通用的工程师们又是运用这些三电黑科技保证每一位乘客的安全呢?

作为业内人士,通过各路渠道拿到了一部分内部消息,在这里划重点:雪佛兰畅巡的三电系统,严格按照高于功能安全的系统安全要求开发,电池组全新配备智能水循环温度管理系统,电池包满足远超国标要求的的极限安全检验,并配以3重物理防护结构设计,全面满足整车安全性。

总结下来就是:行业领先的电池管理系统以及高完全、高可靠的动力电池包。

1、什么是三电?三电是电动车的核心系统

简单一句话概括:动力电池、电驱系统、电控系统。

听起来很简单,理解起来也不难。姑且先在这里给大家简单科普下三电知识。

1.1动力电

目前,汽车动力电池基本上由以下5个系统组成:动力电池模块、结构系统、电气系统、热管理系统、BMS电池管理系统(电控)

对照人体,模块就是动力电池的“心脏”,负责储存和释放能量,为汽车提供动力。锂电池模组是由几颗到数百颗电池芯经由并联及串联所组成的多个模组,除了机构设计部分,再加上电池管理系统和热管理系统就可组成一个较完整的锂电池包系统。

目前主流使用的动力电池模块有以下几类:

? 钴酸锂18650电池:生产技术成熟,电池能量密度高,接近同级别磷酸铁锂电池的两倍,但是高温状态下的稳定性较其他电池差,易发生电池着火。代表车型 Tesla Models

? 硫酸磷铁电池:是车用锂电池中安全性和稳定性最高的,在极端情况下,最大限度保证车上乘客不会因为电池爆炸或二次着火受到伤害。代表车型比亚迪秦、唐。

? 三元锂电池:安全性以及能量密度介于磷酸铁锂电池和钴酸锂18650电池之间,各方面相对均衡,低温时电池更加稳定。代表车型比亚迪混动宋、元,北汽EV200、EV260以及特斯拉Model 3

? 镍氢电池:寿命长,充放电次数多,无需保养维修,可长时间内维持相对较好的性能指标的优点,但是体积大,能量密度小。代表车型丰田Prius、福特Escape、雪佛兰Malibu,本田Civic Hybrid。

结构系统

主要由电池包上盖、托盘、各种金属支架、端板和螺栓组成,可以看作是电池包的“骨骼”,起到支撑、抗机械冲击、机械振动和环境保护(防水防尘)的作用。

电气系统电气系统

主要由高压跨接片或高压线束、低压线束和继电器组成。高压线束可以看作是电池包的“大动脉血管”,将动力电池系统心脏的动力不断输送到各个需要的部件中,低压线束则可以看作电池包的“神经网络”,实时传输检测信号和控制信号。

热管理系统

主要有4类:风冷、水冷、液冷、相变材料。以水冷系统为例,热管理系统主要由冷却板,冷却水管、隔热垫和导热垫组成。热管理系统相当于是给电池包装了一个空调。电池充放电的过程实际上就是化学反应的过程,化学反应会释放大量的热量,电池需要热管理系统将热量带走,让电池处于一个合理的工作温度范围内,以提高电池的寿命和可靠性。

BMS电池管理系统

BMS可视作电池包的“大脑”,主要由CMU和BMU组成。电池管理系统能及时检测调整电池的工作状态,保证电池的工作安全,以达到增加续航里程,延长使用寿命的目的。

CMU单体监控单元,负责测量电池的电压、电流和温度等参数,同时还有均衡等功能。当CMU测量到这些数据后,将数据通过前面讲到的电池“神经网络”传送给BMU。

BMU电池管理单元。负责评估CMU传送的数据,如果数据异常,则对电池进行保护,发出降低电流的要求,或者切断充放电通路,以避免电池超出许可的使用条件,同时还对电池的电量、温度进行管理。根据先前设计的控制策略,判断需要警示的参数和状态,并且将警示发给整车控制器,最终传达给驾驶人员。

以特斯拉为例,特斯拉拥有全球领先电池管理技术,Model S共使用了7104块18650电池,每74节并联为一个电池包,每6个电池包串联为1块电池组,16块电池组再串联排布,整体组成特斯拉的动力电池。BMS对每级实时监控,为每一个电池单元进行及时的冷却,降低彼此的温差,以防自燃。然而特斯拉能做到对每一个电池单元的监控,却无法解决电池包被冲击力极端破坏下产生燃烧爆炸的情况,这也就是今年美国两起特斯拉汽车二次着火的原因。

1.2电驱系统

电驱系统则主要由三部分构成:传动机构、电机、逆变器。

传动机构

目前国内外电动车的传动机构都是单机减速,即没有离合、没有变速。未来各电动车企业将会在传动机构上增加复杂性,同时降低对电机、电机变阻器的需求,即提高性能,降低成本。

电机

新能源汽车采用的电机主要有两种:永磁同步电机、异步电机。永磁电机,顾名思义就是带磁芯的电机。永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机,永磁体作为转子产生旋转磁场,三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应,感应三相对称电流。

永磁同步电机的转子作为永磁体本身产生固定方向的磁场,定子旋转磁场“拖动”转子磁场(转子)转动,因此转子的速度一定等于定子的同步速,所以叫做“同步电机”。永磁同步电机的转子转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此,通过控制电机的定子绕组输入电流频率,电动汽车的车速可被控制。

它与异步电机最大的不同在于转子独特的结构,在于转子上放有高质量的永磁体磁极。异步电机和永磁电机结构类似,只是没有磁芯,在没有通电的时候是没有磁场的,所以,只有通过大量耗电才能产生磁场。它最高转速能达到15000转/分钟,是高速电机,高转速产生大功率。

异步电机相比永磁同步电机成本较低,过载能力强,结构简单,制作方便,可靠性好,但是体积庞大,能耗较大,同等电池组容量和同等车况下,采用同步电机的汽车要比采用异步电机的汽车续航里程更多。比如特斯拉Model S P85D,整车质量超过2.1吨,就是因为异步电机的电池利用效率低体积大,所以必须多装电池。

永磁同步电机,虽然造价比异步电机稍高,但是结构紧凑,体积小,具有较高的功率密度。有限的电池容量下可实现最佳的续航里程。雪佛兰雪佛兰畅巡正式使用了永磁同步电机

逆变器

逆变器是把直流电转变成交流电的设备,若一台电动汽车的逆变器能支持较高电压,则相应的电压充电流较大,功率较大,这意味着同样电流进行充电,充电功率可以等比例放大,即充电时间会缩短。若提高逆变器的支持电压,则相应的充电时逆变器产生的热量会变多,那么就需要解决逆变器中IGBT模块的散热问题,这是提高充电效率的关键问题。

1.3 电控系统

电控系统是连接电机与电池的神经中枢,主要是对整车进行动态监控,及时反馈调整各项技术参数。可分为电机控制系统和BMS两大类,其中BMS详见上部分。

电机控制系统作为汽车动力的指挥官,它的核心则是IGBT元件(Insulated Gate Bipolar Transis,绝缘栅双极型晶体管芯片)。新能源汽车的动力电池提供的是直流电,而驱动电机所需要的则是三相交流电,这中间就需要电机控制系统来工作,将直流电转换为交流电,而完成转变的关键元件就是IGBT。

由于篇幅限制,本篇将主要介绍雪佛兰畅巡的动力电池包的产品亮点,电机及电驱技术后续将继续展开。

2、全新智能水循环温度管理系统

雪佛兰畅巡410版上搭配的三元锂电池组采用了6系铝挤出托盘,1并96串电芯的结构,电池容量52.5kWh,523三元锂配方(镍钴锰),电池系统能量密度140Wh/kg

锂离子电池的性能、寿命和安全性对温度非常敏感,可以说温度是影响锂离子电池工作性能最为突出的一个因素。锂离子电池温度范围应保持在25℃~40℃之间,单体电池之间温度差应小于5℃。如果电池在充放电过程中产生的热量没有得到适当的释放,由于热量的积聚,电池的温度会升高,极大程度上降低电池工作效率。锂离子电池每升高1℃,电池能力消退0.2%,当温度超过极限工作温度时,还会加速锂离子电池的老化。

此外,有统计数据表明电动汽车起火事件的原因中,行驶过程中的电池自燃占比22%,停置时电池自燃占比16%,正常充电过程中起火占比14%,加起来共52%的比例。

电动汽车起火事件起因近五年整体分布图

也就是说,电动汽车起火事故最主要的三大起因是电池的自燃、充电和汽车碰撞。而这些起因所对应的内部机理是电池的内部短路、外部短路与过充电等故障及其进一步引发的热失控。

电池热失控诱因总结

热失控的触发诱因复杂,普遍认为引发电池热失控的主要故障形式概括为四类,即:内部短路、外部短路、过充电与过放电。这些故障均会引发电池温度骤升,随着电池温度的升高电池内部会发生连锁的放热反应。

而当电池温度达到80~120 ℃时,覆盖在电池负极表面的SEI 膜发生分解,随后负极活性物质失去保护,嵌入负极的锂金属与电解液发生反应。温度继续上升会引发电池多孔隔膜闭孔,隔膜闭孔会阻断外部短路的电流回路,起到一定的自保护作用,但如果温度继续上升,隔膜会在190 ℃左右解体,引发内部短路,释放大量的电能使温度迅速升高,进而引发正极分解与电解质分解反应,正极分解会释放大量的热量,将会电池包过热融化自燃起火!

热失控触发机理

在这里划重点:以上全部总结下来,控制好电池温度热管理,是打造出一辆安全的新能源电动车的必要条件!

值得庆幸的是,通用将自主研发的行业领先的全新电池组智能水循环温度管理系统应用到了雪佛兰畅巡上面,打造出了一辆真正省心安全的好车。

全新电池组智能水循环温度管理系统

? 液冷及电池加热技术,通过智能水温控制来稳定电池电芯保持在高效稳定的工作区间:在极寒环境中,系统驱动加热器对电池冷却液进行加热,提升充电效率;在高温环境中,通过冷却水循环使电芯温度维持在更适的工作区间(30℃-40℃,不主动沟通),进一步增强了车辆的环境适应性。

? 通过制冷剂侧的压力传感器采集制冷系统蒸发压力,配合电池冷却液温度传感器进行双重温度校验。通过制冷、制热模块和水泵的双重精确控制,实现电池温度精准监控。

? 独立的电池温度管理模块:通过智能温控算法,实时精准的进行能耗分配,始终满足电池温控需求的同时,实现乘车舱的舒适度控制。

另外,有研究表明,电池内部温度与实际环境温度之间的温度差,以及电池组内部各单体电池之间的温度差等原因都会对电池的性能、寿命和安全产生不利的影响。所以,单体电池的内部构造、摆放位置、冷却条件等因素,导致电池组在产生热量、传递热量、散失热量时无法满足整个电池组的温度范围稳定、热量均匀分布

而雪佛兰畅巡的电池组中电芯之间采用了航天级纳米温控材料气凝胶,通过纳米微孔有效锁止并控制温度,对单体电池期间的温度差控制以及温度隔离起到了极大的辅助。且模组与模组之间铺设了防火毯,有效的提升了阻燃能力,以进一步保证电池本身的稳定性,为防止热失控提供“硬件”基础。

电池包按照通用全球标准订制:在电芯配方、规格、封装、防护等方面均达到行业最高标准,并且电芯之间布置航天级气凝胶、模组间和壳体内则布置高性能复合隔热材料,覆盖电芯级、模组级和壳体级的三重防护措施,有效提升了隔热与阻燃性能,提升电池包的一致性与安全性

电芯之间布置航天级气凝胶

整套智能水循环温度管理系统加航天级纳米温控材料气凝胶的应用同时改善了充电速度,使直流快充10分钟,即可行驶100KM(限定工况:25℃+4%SOC起充,新电池)。

3、电池包更安全、更可

我们同时还可以发现,电动汽车起火事件的原因中,碰撞后短路起火的占比14%,这一部分也是普通消费者相比于传统燃油车对新能源电动车安全的最大关注点。

即:新能源电动车碰撞后的电池安全性能如何,电池会不会因为受到挤压变形爆炸自燃!

碰撞后起火14%

答案当然是否定的!

动力电池在设计之初设计就考虑了碰撞、着火、防水、极端温度等极限情况,以应对突发情况的发生。

图片来自知乎用户@法哥请进

以方形电池制造基本流程为例子。每一阶段都经历设计、测试、验证方面的极限安全考量。为了在发生碰撞或拖底时,电池受到外力挤压能及时排出内部产生的气体和压力,方形电芯设计了防爆阀。同样的为了,碰撞时通过内、外部共同疏导,在极端情况时保护车辆和电池的安全,电池底壳也在设计时专门留有一定的溃缩量。

那么雪佛兰畅巡的电池安全表现呢?通用的工程师又是如何保证电池安全的呢?

我国动力电池有6项国家标准:GB/T 31484-2015。6项国标从机械安全、环境安全、电安全三个维度对电池单体、电池模块以及电池包/系统进行测试,并给出相关判定标准。且国标测试的难度也异常苛刻:在极端温度测试时,国标要求电动车电池在零下20度到零上50度,接近70度的剧烈变化下还能正常稳定的发挥作用。在挤压和针刺考验中,要求电池受到10吨重的外力挤压,还能幸免于难;由1根近1厘米粗的钢针从几何中心穿过,电池处于短路状态,还不能爆炸,不起火。

针刺测试

挤压测试,挤压力100KN

相比于国标,通用及其配件厂商对电池测试要求更加严苛,种类和难度都远超国标。通用在雪佛兰雪佛兰畅巡上对锂电池组进行了13类极限安全检验:穿刺(超出国标的模组级热扩散试验)、挤压、浸泡、火烧、过充、过放、短路等7重极限安全检验、过温、碰撞、振动、温度冲击、湿热冲击、盐雾,达到IP67级别。

以火烧检验为例子,国标要求电池火烧130秒无爆炸,在雪佛兰畅巡搭配的动力电池包上,这个标准被提高到了火烧130秒还能正常工作、火烧1个小时无爆炸危险。

火烧测试

值得一提的是,通用在整车级别创新增加铁轨、跌落和高于法规要求的横向柱碰实验,确保日常使用的安全性和稳定性。

此外,雪佛兰畅巡的电池包上采用了3重物理防护结构设计。因为相较于传统车辆,纯电动汽车前端吸能空间减少,大刚度、大质量电池的安装位置与传统发动机安装位置有较大差异,同时,电动汽车不同于传统燃油车的特殊部件也对其碰撞安全性能提出了更高的要求。

所以,雪佛兰畅巡在车架上增加了高强度和超高强度钢打造的下防撞梁(高强钢)、双框架结构设计(超高强钢)和横向多条贯穿式梁结构设计(超高强钢),为高压电池包提供充足的保护,从而避免碰撞中高压电池包受到碰撞、挤压。相较于传统5星燃油车,多了前面两条横向贯穿式梁和电池包周边的防护梁,全方位满足安全要求。

尾言:

电池安全是新能源电动车安全的重要指标,只有通过最高标准设计、测试、制造的电池,才称得上安全的豪车。

尤其针对三电系统来说,高标准的设计-制造-检验-验收,在纯电汽车产品上更为重要。在树立消费者信心的关键阶段,太多企业的半成品在使用过程中发生意外事故,留存了许多隐患。这就是整体流程体系不成熟布下的种子,甚至会对整个市场造成影响。

而对于通用雪佛兰这样具备完整成熟体系的品牌,虽然在国产化电动车产品的路上走的稍显慢了一些,但依我看来在核心技术上是有能力做到万无一失的。

本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。

新能源汽车用的什么牌子的电池?

什么牌子的新能源 汽车 电池比较好?

现在口碑最好的要数特斯拉 汽车 里的18650松下锂电最好了。

1 因为特斯拉Model 3电池里面的钴含量大幅下降了,(钴能提升导电性和倍率性能作用)提升了镍含量(镍能提升能量密度)所以这款电池还是倾向于高能量密度。特斯拉首先考虑到了热稳定保护。

2 特斯拉电动车拥有85KWh,达400V直流,整个电池板重900公斤,由7104节松下18650锂电组成。

共由16组,每组444节、每74节一个并联组成,其组装科学,工艺精良,保险防热步步到位,每节电池都焊接了精美优良的保险丝。

其牢固性相当大,从楼上扔下也不分离。

3 特斯拉好在对电池的管理搞得好,因冷却设计科学相邻电池的湿度为2度、就因为把住了温度关,它就对延长电池寿命,增加续航能力提供了供障,这也是它优于其它电池组的重点选择。

谢谢你的阅读 !

宁德时代,比亚迪,孚能,力神等几个品牌,其中比亚迪电池自用,宁德时代占据绝对优势,他与比亚迪占据市场份额的70%左右,孚能今天增长最快,最显眼,从技术路线上看,主要分为磷酸铁锂电池和三元电池,差不多一半 汽车 用磷酸铁锂,一半用三元(镍钴锰),磷酸铁锂电池比亚迪做的最早最成熟,早在2010年前后就开始推广城市交通中的出租车,后来慢慢进去乘用车,近两年技术路线开始转向三元,因为国家补贴造成的,补贴要求容量密度挂钩,磷酸铁锂做不过三元,今年三元材料电池会超过磷酸铁锂。

你好,我个人推荐比亚迪

前不久,比亚迪在新车发布会上对外宣布采用自主研发IGBT功率器件。

作为 汽车 动力系统的“CPU”, 汽车 IGBT技术长期被国外企业垄断, IGBT作为新能源 汽车 的“CPU”,对于新能源 汽车 来说至关重要,而比亚迪自主研发IGBT器件突破国外技术垄断,使得比亚迪新能源 汽车 的核心半导体技术不再受制于人,成为继DM技术、全新e平台之外,比亚迪新能源 汽车 的核心竞争力之一。

比亚迪现已拥有国内首个 汽车 IGBT全产业链,包括IGBT芯片设计、晶圆制造、模块封装,仿真测试以及整车测试。

如今,我国新能源 汽车 保有量达180万辆,连续三年全球产销第一。其中,比亚迪的新能源乘用车销量连续三年位居全球第一,纯电动大客车销量连续四年位居全球第一。在我国从 汽车 大国走向 汽车 强国的过程中,电动 汽车 关键技术的突破是不可或缺的因素,也是核心竞争力的体现。

拥有核心技术才是硬道理!我支持比亚迪!

目前主流的有两种电池。一种是比亚迪的磷酸铁锂电池安全性最好,但能量密度小;一种是以宁德时代为代表三元锂电池安全性差,容易起火,但能量密度高。没有最好的,要看怎么应用,像比亚迪大车用铁电池,小车用三元电池。

华太电池。 1块钱四节 便宜……

特斯拉好不好,价在那了。国产的?敢说保十年,结果5年后充一次电跑佰八十公里,换电池吧5.6万换不起。

国内最好的宁德时代啊,独角兽。

国际范围,特斯拉的松下最好。三星,LG的也很赞,,,

不过在天朝,必须用国产电池才能获得补贴。很好奇特斯拉国产会怎么办?是政策调整还是松下电池国产?拭目以待

松下的电池。

雅迪啊,艾玛之类的都不错。

超威!我的雅迪都骑了五年,充完电还能跑个三十来公里

冬天电池更需要保暖?来看看会“自热”的电池技术

人类自从 发现 并开始使用电力之后,对于电力使用的焦虑就一直存在,即便是用于储存电能的电池出现,也只是稍微减缓了这种焦虑。就像现在全球火热的电动车一样,即便是有新鲜的体验,但依旧无法避免电池续航带来的焦虑。

电池对于电动车的直接影响,也使得各大新能源厂商以及电池供应 商 都绞尽脑汁去推进增加续航的方法。不过无论是物理上的堆电池方案,还是改变电池电解质组成 元素 ,甚至改变物质形态的方法,在低温面前,这些电池的续航甚至都不能呈现出一个正常的状态,怎样能够让电池在低温下保温与升温,成为了对抗这个“电池杀手”的关键。

微核高频脉冲加热技术

在研发以及使用电池的过程中,我们已经知道了,电池是有一个正常的工作温度区间,而在低温环境下电池的实际使用效果将会大打折扣,所以在这种环境当中电池就需要一个很好的热管理来为它保温。

在4月21日, 长安汽车 旗下长安深蓝品牌举办了深蓝技术分享会,在会议上长安公布了一项名叫“微核高频脉冲加热技术”。

单听这个名字,就知道这项技术肯定是针对电池热管理系统的,尤其是有脉冲加热这个字眼在。看回长安这次公布的这项技术,实际上它的想法并不复杂,在加热这个大前提条件不变的情况下,让电池包的升温更加迅速且均衡,以便让电池包在低温条件下尽快达到合适的工作环境。

宁德时代专利 CN 108711662 B脉冲加热装置

原理方面其实是基于此前宁德时代公布的一项专利技术拓展开来的,这项专利就是利用了低温导致内阻增大的特性,通过在电池两端加装可以产生振荡电流的装置,使电流经过内阻很大的电芯,从而让电池内部产生大量的热量,最终让电池温度快速升高。

虽然这样的加热方式能够让宁德时代的电池组达到4℃/min的升温效率,但这种频繁让电流从正极向负 极流 经的方式,很容易让锂电池当中的锂离子,在负极上还原过程中形成树枝状金属锂单质,也就是“锂枝晶”。“锂枝晶”生长到一定程度轻则影响电池容量,重则造成锂电池内部短路,严重威胁人身安全。

因此为了避免由于频繁的过电造成电池负极出现锂枝晶的情况,长安在宁德时代这个技术的基础上,对这项技术稍微进行了改进,选择用交流电给电池组产生电流加热。

为什么一定要提及是交流电呢?此前的电池自加热技术,产生的电流都为直流电。按照物理定义,在单位时间内电流的大小和方向不发生变化的称为直流电,再看回“锂枝晶”的的产生条件,在放电过程中负极来不及处理锂离子导致出现金属锂单质。

需要喘息时间的电池负极,面对直流电恒定的输出,很容易到达极限,之后就容易出现“锂枝晶”,所以为了减弱这种“一成不变”,需要给负极一些喘息空间,而在单位时间内电流的大小和方向不断发生周期性变化的交流电就较为合适负责这项工作。

交流电并不像直流电一样一直保持恒定数值,它会一直保持正值-0-负值-0-正值的周期性变化,也正是因为交流电这种非恒定的特性,能够让电池负极减少负担,从而减轻产生锂枝晶的几率。

同时长安在会议上也提到了功率半导体IGBT(绝缘栅双极型晶体管),IGBT是一个非通即断的开关,它没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。再加上电机以及BMS系统配合工作,就可以实现随机高频率的电流充放切换,进一步的减少锂枝晶这种情况的出现。

长安官方公布的深蓝C385动力电池组,可以在零下30℃的环境温度中保持4℃/ mini 的升温速率,在零下30℃的环境温度中可以提升50%的动力表现以及缩短15%的充电时间。从数据来看,改进后的“电池自加热”技术不仅效率更高,还具备了更持久的电池寿命,这对于在低温地区的用户而言是相当好的消息。

电池:我也需要“暖宝宝”

目前市面上较为主流的电池种类,可以按照元素类型分为两种,即三元锂电池与磷酸铁锂电池,这两者最大的区别就是使用的电池正极材料不同。

磷酸铁锂电池是采用磷酸铁锂( LiFe PO4)作为正极材料。它的优点是在高温条件下或过充时安全性非常高,缺点是在低温条件下(气温低于-10℃以下),磷酸锂电池衰减得非常快,经过不到100次充放电循环,电池容量将下降到初始容量的20%,基本与寒冷地区的使用绝缘了。

三元锂电池是采用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2,NCM)或镍钴铝酸锂(NCA)三元正极材料的锂电池,把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的调整,所以称之为“三元”,像宁德时代的NCM811就是指镍、钴、锰三者配比为8:1:1的三元锂电池。

三元锂电池的优点是高能量密度,同为宁德时代出品,它旗下的磷酸铁锂电池能量密度为178Wh/kg,而NCM523为200Wh/kg,NCM811更是达到了240Wh/kg。在低温方面-30℃条件下三元锂电池也可保持正常电池容量,更适应北方低温地区的使用条件。缺点是在高温条件下,三元锂电池的三元材料会在200℃时发生分解,在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象。

上述的两种电池,虽然材料以及优缺点有所不同,但从微观的角度讲,两者的工作原理同样是锂离子在正负极之间来回迁移的过程。

在低温环境下,电池的正负极材料活性降低,同时充当桥梁的电解液导电能力也下降,因此电池在充放电时,内部会产生阻力,它被称为内阻。电池内阻增大,在电池正常使用过程中,就会产生大量焦耳热引起电池温度升高,实验表明环境0℃以下时,温度每下降10℃,内阻约增大15%。

受到了内阻的阻碍,想要发力却只能导致电池过量放电,电能不断的转换为热能,不仅电量下降、没办法正常输出功率,还容易对电池的安全性产生影响,这一切的结果都是因为低温环境造成的。

为了解决这个问题,除了上面我们提到最新的“脉冲自加热”技术外,其实供应商以及厂家都做了很多“保暖”的措施。

PTC元件

加热膜

目前有几种常见的方案,第一种是大多数纯电车型选择的PTC与加热膜,这一种方案的想法是通过外部电热元件发热,提高电池温度。PTC有水暖与风暖两种,水暖通过PTC加热冷却液,再和散热器进行热交换,风暖是开启暖风后,冷空气直接和PTC进行换热,最终吹出暖风。而加热膜则像是给电池盖上一层导电加热的被子,但这两者的缺点都比较明显,PTC容易造成受热不均,并且占电池舱的空间,而加热膜由于安全的关系,整体的造价不低,并且实际的加热效率也不高。

另一种方案是液冷循环系统,它像是给电池包额外加一套暖气上去,通过加热冷却液来获得一个较为长效的热源。还有一种方案是热泵空调,整个原理像是强制抽取大气热量转换进车里的样子,但当环境温度过低的时候热泵容易失效,所以特斯拉也做了一个“魔改”,除了抽取外界空气的热量外,还收集动力电池系统、驱动系统以及PCS功率电子产生的余热,整套系统依靠八通换向阀进行复杂的热量汲取,以此提高热泵空调总体的效率。

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脉冲自加热真的足够稳定?

其实不然,虽然这套“脉冲自加热”技术整个设计都具备了“黑科技”的潜质,但实际上这项技术还需要更多的磨合、调试以及优化。而且,长安这套技术并非是市面上第一个采用脉冲自加热技术作为动力电池热管理的厂家,既为电池供应 商 也为汽车品牌的 比亚迪 实际上已经将这套技术应用到了它们的车型当中。

这项技术主要应用在 比亚迪 旗下的超级混动DM-i车型上, 秦PLUS 的混动专用刀片电池使用的正是脉冲自加热的热管理系统。不过比亚迪这套技术与长安深蓝所使用的方案有些区别,长安深蓝是使用交流电通过三 元 锂电池组进行加热,而比亚迪的方案则是通过两组磷酸铁锂刀片电池组之间互相放电(直流电)进行加热。

从原理上来说,其实长安与比亚迪都是使用温度下降内阻增加后,电流经过大电阻产生热量的方案,只不过长安是在电池组外产生交流电进行过电,而比亚迪是两个电池组互相提供直流电为对方“取暖”,这一点与宁德时代的方案是相似的。

比亚迪目前采用这套技术的车型是 秦 PLUS,现款 秦PLUS DM-i在2021年3月上市,在上市之后网上也出现了DM-i在实际使用当中的一些问题,其中最多车主反应的是 秦 PLUS DM-i在低温环境下会出现发动机抖动、失火等情况。

而出现这个情况,与刀片电池使用到的脉冲自加热技术有关。厂家对自加热功能开启的温度设定过于极限,导致在非极限低温的情况下,脉冲自加热功能不能正常启动,而DM-i的发动机是需要电池带动电机给予发动机初始转速,发动机才能避免启动时的抖动。

因此像上述秦PLUS DM-i车主们遇到的情况,就是脉冲自加热功能在非极限低温下的无法正常工作导致的。同时,由于脉冲自加热功能是两个电池组通过升压程序互相充电加热,因此在使用脉冲自加热功能时,电池无法输出完整、连续的工作电压,也就无法正常的为电驱提供稳定功率,这也表明了DM-i车型只能在脉冲自加热与电驱两种情况之间二选一。

看完比亚迪这套技术产生的问题,对于长安这套技术,我们作为消费者还是需要谨慎对待,长安除了需要解决电驱/自加热只能二选一的情况外,对于环境温度识别以及自加热启动的标定,也需要下更多的功夫,我们也期待长安给出“微核高频脉冲自加热”技术的实测数据。

小结:

在传统、新势力品牌百家争鸣的时代,军备竞赛已经不止在机械调校层面上,高精尖技术也是一项关键的一环,所以也不难理解为什么长安不辞劳苦的再推出一个电动相关的全新平台。单从这次公布的这个脉冲自加热技术来看,技术上的改良是值得我们期待的,但技术最终还是要看体验,加之上一家采用脉冲自加热技术的车企在低温地区已经遭受了重创,这次长安再推带有这款技术的车型,也希望长安能够在调校以及实测体验方面,给到我们消费者一个满意的答卷。(文: 高子健)

@2019

特斯拉的电池和比亚迪的电池,哪一个更牛?

日益枯竭的石油资源和环境污染的大背景下,电动汽车进入了快速发展时期,但由于电动汽车的成本高、电池循环寿命短、续航里程短等问题,也制约着电动汽车进一步大规模推广。

在电机、控制技术有据可循、日趋成熟之时,电动车最难破解的困局以及最大的比拼都来自于电池技术。各大汽车厂商也抓紧了新能源汽车的研究力度,特斯拉作为全球智能电动汽车行业引领者,旗下产品性能出众,核心技术领先,而比亚迪被誉为新能源汽车领导者,始终坚持走自主研发道路的比亚迪,电池和发电机等技术已走在了全国前列。那么在电池这一方面,特斯拉和比亚迪哪家更牛呢?

特斯拉Model S采用的是松下18650组成的电池组,单个这种电池比平常的5号电池大一些,也称为三元锂电池,而比亚迪则专精于市面上主流的一种锂电池叫做磷酸铁锂电池。

电池构造对比

电池的构造方面,特斯拉选用的是7000组单体小电池组成,选用小电池的原因是特斯拉考虑未来电池坏了之后只需要更换一小块,而不用集体更换一大组电池,而特斯拉最拿手的技术便是BMS(电池管理器),完全可以协调好这7000组电池,而实际情况是松下的这种钴酸锂电池由于能量密度过高,无法做成大电池,而且松下的这种小电池生产工艺和生产线也相对成熟,相对于这种情况,比亚迪选用的是大电池组,正是由于电池能量密度小的优点,对于做成大电池组更减少控制单元的难度,这对于技术不算成熟的电动汽车来说无疑是一个很好的选择,电池构造方面无疑是不分伯仲,各有千秋。

电池性能对比

特斯拉在Model S车型上使用了改性三元锂电池(镍钴铝酸锂电池),使其电池总数达到了7000多节。尽管如此,十分有限的循环次数依然成为桎梏此类电池在电动车上应用的难题,以每两天一次的充电频率计算,大概在三到四年之后,电池就将寿终正寝。

且三元锂电池如果内部短路或是正极材料遇水,都会有明火产生。所以一般18650电池都会有一层钢壳保护,由于特斯拉的电池组是由7000块左右的18650电池组合而成,所以,虽然特斯拉给电池组进行了全方位的保护,但是在极端的碰撞事故中,起火隐患还是有的。

相比之下,比亚迪所采用的磷酸锂铁电池是目前应用更为广泛的电池。它的优势在于热稳定性很高,在600度时结构依然比较稳定,同时因为三价铁离子并不活泼,很难再发生化学变化,电池板就算是穿刺、短路也不会爆炸燃烧,这令其寿命相对较长,理论上能够大于整车寿命,长期使用的成本较低。同时,磷酸锂铁电池的功率密度比较好,可以大倍率放电,有良好的加速性能。

综合性能来看,磷酸锂铁电池还是被更多看好、更为务实的电池种类。所以在安全性能上,磷酸铁锂电池略胜一筹。

同步与异步,电机之选

电流在离开电池、到达电机的过程里,需要通过逆变器,将直流电“改造”成符合电机驱动的交流电,而后输入电机,由驱动电路带动电机旋转输出扭矩。在电机选取的思路上,特斯拉保守起见,采用了目前技术更成熟、应用领域广泛的异步电动机,而定位平民化的比亚迪却选择了相对比较“难啃”的永磁同步电动机。

两者在工作原理上并不存在本质区别,都是依靠定子与转子间的电磁感应产生并输出转矩。异步电机通过定子绕组建立转子磁场,而永磁同步电机顾名思义,在转子部分采用了永磁材料。选择合适的电机,也将对电池电量下降产生一定的弥补作用,这会节约一部分电池成本。

异步电动机的储备技术相对成熟,运行可靠、持久,无论是工厂大功率电机还是家里的冰箱、洗衣机,几乎都能见其踪影。这对于造价高昂的电动车而言,是非常理智、朴实的选择。但与此同时,相较于其他电器用品,电动车对于电力驱动部分更为细致的追求也突出了异步电机的不足,除了需要消耗更大电量,其转子也容易发热,提速性能较为普通。

为了改善异步电动机带来的劣势,特斯拉首先在电调部分做起了文章,采用IGBT来满足高效变电控制,并重组了电动机与变速箱之间的电气连接,以此提高电动机在低转速下的输出扭矩。

比亚迪所采用的永磁同步电机,在效率以及功率密度方面得到了不小提升,提速性能比异步电动机更快,且结构简单,维护起来相对容易。但其在技术储备、应用领域尚未至成熟,况且永磁体所包含的稀土材料造价较高一直是永磁同步电动机的顽疾。比亚迪做出这样的选择,一方面节省了驱动装置对于动力需求所要做出的调整,另一方面却也给成本控制带来了难度。而如何将磁体以更低的稀土材料发挥原有效能,或许还需要比亚迪继续思考。

集成与重塑,谁更接近未来

随着Model S车型的到来,特斯拉一再颠覆自己的充电时间,大肆扩张超级充电桩的数量和覆盖面积,以及领先的造车理念、销售模式,使其一时间成为了汽车界的“苹果”公司。但在不少传统汽车企业看来,特斯拉的横空出世还不足以对汽车行业产生颠覆性的冲击。而对于新能源汽车存在方式的理解,也仍有不少分歧。

在自主品牌中,“分分钟造出特斯拉”成为了流行语。同为新能源汽车企业的比亚迪率先放出了豪言壮语,而最近,吉利的老大李书福也表达了相似的意思。归其原本,或许是因为特斯拉在展现先进的造车理念的背后,体现的是其强大的技术集成、整合能力。从其电池、电机的选择来看,特斯拉有意在将现有的、较为成熟的技术精密化,减少基础产品技术的创新成本,将零部件之间的集成潜力发挥到最大。

对于同时进行基础技术研发、匹配的汽车企业来讲,特斯拉还很难被看作一个强大的汽车企业,从高端车型入手、暂时缺少平民化的车型也令其在新能源领域的“革命”之说少了几分说服力,但这却与特斯拉的发展历史相辅相成。

事实上,作为同样造车十年的比亚迪,也还没有树立起在新能源汽车领域的绝对优势,甚至需要经常应对来自四面八方的质疑和比较。但值得注意的是,比亚迪与特斯拉采取的产品思路并不相同。依托于产业链的垂直整合,比亚迪包揽了大部分零部件的自主生产,此外,双擎双模的核心技术及控制单元也来自于自主研发。相比于特斯拉在整合能力上的创新和极致追求,比亚迪选择了从新兴技术角度寻找突破口,这更加靠近创新的基础,但同时也对企业技术实力的储备提出了很大挑战。

三元锂电池经IGBT(三元锂电池经常短时间充电影响寿命)

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