詳解新能源汽車的電池性能和安全性
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-06 15:53
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2、電池系統(tǒng)
一、新能源汽車電池是一個系統(tǒng)工程
影響電池性能和安全性的不僅僅是電池材料，還與電池組、動力系統(tǒng)、整車等有關(guān)。
特斯拉的電池在新能源車領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先水平，不僅單體容量小，而且成熟、穩(wěn)定、一致性高。
除了電池的優(yōu)異性，特斯拉的電池管理系統(tǒng)（BMS）也相當不錯。
據(jù)說Model S的電池組由7000+節(jié)的電池組成，其BMS可以提供精確的電池健康狀態(tài)預估技術(shù)、診斷預警技術(shù)、電池平衡管理技術(shù)。
每個18650電池都有導熱的管路，并且管路多采用絕緣帶進行包裹，以防電池與外殼發(fā)生短路
每一組電池組都有獨立的電池管理系統(tǒng)，在電池板的輸出端同樣有電池板的電池管理系統(tǒng)由于BMS的不同，即使其他純電動汽車電池容量相同，在續(xù)航、電池壽命、充電時間等方面的表現(xiàn)也不如特斯拉。
二、電池的多維度性能平衡
如果你的電池系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，各個部門之間協(xié)調(diào)度高，這時候就需要從各大電池供應(yīng)商采購符合整車要求的電池。
廠家一般會綜合的把各個參數(shù)繪制成蜘蛛圖，然后根據(jù)實際的情況來選擇：
大家玩NBA2K的時候，也會根據(jù)比賽的實際情況和球員的特點安排上場。
比如場上比分焦灼，球隊陷入了進攻停滯，這時候需要一個投射能力強，可以帶動全隊的球員，通過下圖可以分析，斯蒂芬·庫里在場均得分、助攻和搶斷方面則優(yōu)于小喬丹，所以，如果你是教練，這時候應(yīng)該換上庫里了。
那上一個僅僅是得分超強的球員呢，后果可能是防守端敗下陣來。
選電池和選球員時一個道理，沒必要為了其中的一個續(xù)航性能而增加電池數(shù)量或者加大能量密度。
因為一是制造出來的車價格非常貴，老百姓買不起，二是在安全方面也很難把控。只要在特定的場景下選擇合適的電池即可。
對電池的參數(shù)，我們簡單解釋下：
1、能量密度
電池的能量密度，指單位重量或者單位體積內(nèi)包含的能量。這個指標是越大越好，畢竟?jié)饪s的都是精華嘛。當然，這是理想狀態(tài)，實際上，能量密度會受制于各種因素。
比如隨著能量密度的提高，電池的安全性和安全冗余邊界將會受到限制，這時候?qū)τ谲囕v而言，需要做更多的工作。
能量密度還會直接和補貼掛鉤，2017年新能源汽車補貼政策明確指出：
純電動乘用車動力電池系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度不低于90Wh/kg，對高于120Wh/kg的按1.1倍給予補貼。
2、充放電倍率
是指電池以多快的速度儲存電能，又以多快的速度釋放電能。
同樣的一桶水潑在頭上，輕輕地倒和猛烈地倒，爽的程度是不一樣的。
充放電倍率指標在新能源車的日常使用中，也顯得尤為重要。
假如你開了一輛新能源汽車去約會，半路沒電了，充電倍率又特別低，2小時充電才能保證到達目的地，那姑娘早生氣離你而去了。
特斯拉Roadster 2，據(jù)說在電機沒有大幅度性能提升的同時，用犧牲車內(nèi)空間的方式，塞入了200kwh的電池，打造出了一臺性能怪獸。當時還有人質(zhì)疑，為什么會采用這么大的電池？
其實特斯拉不是為了續(xù)航，而是放電。2.1s破百，10000N·m扭矩，與高放電倍率是分不開的。
3、電池壽命
壽命，是動力電池應(yīng)用在汽車上最為關(guān)鍵性指標之一。對于普通家庭用車來說，目前市面上動力電池的壽命都遠遠超過了消費者實際的使用習慣，因此對于壽命問題，消費者可以完全放心。
4、高低溫性能
包括低溫性能和高溫性能，我們一般表征電池的工作溫度，而工作溫度與電池的功率輸出卻有直接關(guān)系。
比如我們要設(shè)計一輛電動除雪車，這車面向俄羅斯，中國東北，日本北海道市場，那么選擇電池時就對低溫性能格外關(guān)注，而高溫性能可以適當舍棄。
5、安全性
曾經(jīng)某品牌手機電池起火爆炸事件，將鋰離子電池的安全性問題推到了風口浪尖，這個問題也是消費者最直觀，最關(guān)心的。
動力電池的安全性要從電池和系統(tǒng)兩個層次進行分析。電池材料安全，并不代表造出來的車就是安全。
除了電池最基本的電化學體系以及電極、電芯結(jié)構(gòu)、設(shè)計之外，還與電池管理系統(tǒng)、工作溫度范圍、新能源汽車的合理使用條件等有關(guān)。
三、磷酸鐵鋰電池VS三元鋰電池
下面針對樓主的提問，結(jié)合以上兩個層次的分析，看下目前市面上使用率最高的兩款動力電池——磷酸鐵鋰和三元鋰電池孰優(yōu)孰劣？
1、市場分析
●市場規(guī)模
2017年中國鋰電正極材料產(chǎn)量占比通過起點研究院了解到，2017年，鋰電正極材料產(chǎn)量中，總產(chǎn)量8.6萬噸，同比增長58.38%，而磷酸鐵鋰2017年總產(chǎn)量5.8萬噸，同比增長基本持平，只有1.75%。
三元材料成為增長最快，占比最多的正極材料。
●產(chǎn)能規(guī)劃
我們再來對比下2016年和2017年四家動力電池廠商的產(chǎn)能規(guī)劃
從上圖可以看出，一直“鐘愛”磷酸鐵鋰電池的比亞迪，在2017年保持磷酸鐵鋰產(chǎn)能不變的情況下，加大了三元鋰電池的產(chǎn)能。
比亞迪在18年媒體答謝會上也表示，未來旗下的 e5、秦 EV、宋 EV 這三款純電動車型均會換上全新的三元鋰電池組，這說明比亞迪在乘用車領(lǐng)域已經(jīng)放棄了引以為傲的磷酸鐵鋰電池了。
2、性能分析
●能量密度
數(shù)據(jù)表明，磷酸鐵鋰電池的能量密度遠不及三元鋰電池，但卻比三元鋰電池有更好的安全性。
經(jīng)過了解，目前磷酸鐵鋰單體電池的密度在110-120Wh/kg，行業(yè)巨頭比亞迪據(jù)說能做到150Wh/kg。
三元鋰電池卻可以輕松破200 Wh/kg，比如特斯拉采用的松下18650三元鋰電池，能量密度就達到了233Wh/kg。
因為能量密度和國家新能源乘用車補貼直接掛鉤，多數(shù)使用磷酸鐵鋰電池的車企想拿到1.1倍補貼（2017年標準，能量密度需達到120Wh/kg）難度確實不小。
●充放電倍率
放電性能測試：
從上圖可以看出，相同體積電池，正極使用三元材料比使用磷酸鐵鋰材料放電容量高，這說明，三元材料放電有較大優(yōu)勢。
充電性能測試：
當充電≤10C（1C=7.5A）時，三元材料電池與磷酸鐵鋰材料電池恒流充電容量/總?cè)萘勘壤裏o明顯差距；
當充電>10C（1C=7.5A）時，磷酸鐵鋰電池恒流充電容量/總?cè)萘勘壤^小，充電倍率越大，恒流充電容量/總?cè)萘勘壤c三元材料電池差距就越明顯。
由此可見，三元鋰電池在充放電倍率方面都要優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。
●電池壽命
實驗數(shù)據(jù)表明（下圖），三元材料電池循3900次剩余容量66%，磷酸鐵鋰電池循環(huán)5 000次剩余容量84%，由此可見，磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池有更長的循環(huán)使用壽命。
磷酸鐵鋰VS三元鋰電池1C常溫循環(huán)
大家也不用擔心，如果一輛純電動汽車續(xù)航為250km，你每天上下班里程40km，基本上4-5天充一次。循環(huán)充電1000次，可以用8-10年左右，這也到了大多數(shù)車報廢的時間了。
并且，如榮威ERX5，還承諾電池8年20萬公里衰減不超過30%。目前，這項質(zhì)保在國內(nèi)還是唯一的。
●高低溫性能
我們看一組磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池在不同溫度下的對比：
相對25℃容量”是指不同溫度條件下放電容量與25℃時放電容量的比值。該數(shù)值能夠準確反映出電池在不同溫度條件下續(xù)航的衰減，越接近100%，電池表現(xiàn)越好。
從上圖中能夠看出，以25℃為基準常溫，兩類電池在高溫55℃與常溫25℃下，放電容量幾乎沒有差別。但在零下20℃時，三元鋰電池的表現(xiàn)就明顯優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。
3、安全分析
要從兩方面說下電池的安全性，一是電池材料，二是國家標準。
●電池材料。
三元鋰和磷酸鐵鋰材料在達到一定溫度都會發(fā)生分解，只不過三元鋰材料會在200度左右發(fā)生分解，磷酸鐵鋰材料則需要800度。當發(fā)生分解時，三元鋰材料中的化學反應(yīng)會更加劇烈。由此可見，三元材料相比磷酸鐵鋰確實存在安全性較差的問題，但我們?nèi)匀豢梢圆扇≡S多技術(shù)來提升三元材料的安全性。
其實電動商用車的安全絕不是不使用三元材料動力電池就可以提高的，如深圳電動公交車充電時起火、杭州某公交著火事故用的都是磷酸鐵鋰電池。
