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一文看懂电动车电池的所有分类它们都有啥不同?

2017-09-30 23:47

  电池作为电动车的动力源,一直以来被视为电动车发展的重要标志性技术,也是制约电动车发展的重要瓶颈,其性能好坏直接关系到整车续航里程的长短。

  电池的分类电池从广义上讲主要可分为化学电池、物理电池和生物电池三大类,其中化学电池和物理电池已经应用于量产电动汽车中,而生物电池则被视为未来电动车电池的重要发展方向之一。

  化学电池是目前电动汽车领域应用最为广泛的电池种类,如镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、燃料电池等都属于这一范畴。从结构角度上讲,其可进一步分成蓄电池及燃料电池两大类别,我们目前所见的绝大多数电动车都采用蓄电池技术进行驱动,如丰田普锐斯、特斯拉MODEL S(参配、图片、询价) 等。当然,这里所讲的蓄电池并不是我们日常所讲的汽车电瓶,而是对可重复充电电池的统称,其中车载电瓶通常使用的铅酸蓄电池仅仅是细分门类的一种。

  锂电池是目前电动车上最常用的电池种类之一,虽然其从1970年诞生至今时间并不算长,但凭借能量密度高、循环使用寿命长等特点迅速占据了电动汽车电池市场的绝大部分江山。如今,在售电动汽车配备的锂电池主要有磷酸铁锂电池及三元锂电池两种,且这两种电池在自身特点上存在显著差异,因此我们有必要对其进行一番细致的与对比。

  对于电动车用电池,大多数人可能都鲜有认知,因此,我们不妨举个例子来帮助大家理解。最近,由比亚迪同戴姆勒共同出资成立的全新电动车品牌腾势(参配、图片、询价) 即将上市销售,而其所搭载的正是磷酸铁锂电池。相比于早期的锰酸锂电池,磷酸铁锂电池在能量密度上并未有太大差别,约为100-110Wh/kg,但其热稳定性是目前车用锂电池中最好的,当电池温度处于500-600℃高温时,其内部化学成分才开始分解,而同属锂电池的钴酸锂电池在180-250℃时就内部化学成分就已处于不稳定状态。换而言之,磷酸铁锂电池的安全性在锂电池中首屈一指,也正因如此,其也成为目前电动车电池的主要门类之一。

  与磷酸铁锂电池相比,特斯拉MODEL S使用的三元锂电池在重量能量密度上要高出许多,约为200Wh/kg,这也就意味着同样重量的三元锂电池比磷酸铁锂电池的续航里程更长。不过其缺点也显而易见,当自身温度为250-350℃时,内部化学成分就开始分解,因此对电池管理系统提出了极高的要求,需要为每节电池分别加装保险装置,除此之外,由于单体体积很小,所以单车要的电池单体数量非常庞大,以MODEL S为例,7000余节18650三元锂电池才能满足一辆车的装配用量,这无疑又为电池管理系统进一步加大了控制难度。因此,目前市场在售车型中,只有特斯拉一家使用的是三元锂电池。

  镍氢电池是目前除锂电池外另一主流电动车动力电池种类,于上世纪90年代后逐渐发展开来,如以丰田普锐斯为代表的很多混合动力汽车均采用此类电池作为储能元件。其能量密度与普通的锂电池差距并不大,约为70-100Wh/kg,但由于电池单体电压仅为1.2V,是锂电池的1/3,因此在需求电压一定的情况下,其电池组的体积要比锂电池大上一些。

  与锂电池一样,镍氢电池也需要电池管理系统,不过其更注重电池的充放电管理。之所以存在这样的区别,主要是源于镍氢电池具有“记忆效应”,即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减,而过度充电或放电,都可能加剧电池的容量损耗(锂电池此项特性几乎可忽略不计)。因此对于厂商来说,镍氢电池控制系统在设定上都会主动避免过度充放电,如将电池的充放电区间人为控制在总容量的一定百分比范围内,以降低容量衰减速度。

  燃料电池其实不是“电池”,准确地说是一个大的发电系统。其因能量转换效率高、无污染、寿命长、运行平稳等特点被业界为未来汽车的最佳能源。简单来说,燃料电池是通过化学反应将化学能转换为电能的一种装置,而能量的来源主要是依靠不断供给燃料及氧化剂产生的。

  理论上讲,燃料电池能采用的燃料种类很多,甚至是传统内燃机所用燃料均可,不过真正能起电化学反应的,仅仅是其中的氢和氧化剂中的氧,因此,氢燃料电池是目前燃料电池的研究核心。

  就当今市场而言,燃料电池汽车离我们并不遥远。据此前报道,世界首款量产燃料电池汽车丰田FCV将于明年3月在日本正式销售。该车配备了两个70MPa的高压燃料堆,输出功率为122Ps(90kW),续航里程可达700km(日本JC08工况下)。除此之外,其添加燃料仅需3分钟,相比传统电动汽车的充电时间要快上很多。目前在日本与之相关的各种政策也紧罗密布地相继制定出台,不过国内何时能够买到还不得而知,只能再耐心等待一段时日。

  物理电池顾名思义,就是依靠物理变化来提供、储存电能的电池统称,如超级电容、飞轮电池等都属于物理电池的家族。

  超级电容是一种介于传统电容与电池之间的电源元件,其主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能,期间不发生化学反应,因此被归为物理电池的范畴。与之前所介绍的化学电池相比,超级电容三大明显优势,首先,其反复充放电达数十万次(传统化学电池只有几百至几千次),寿命上要比化学电池高出很多;其次,超级电容在充放电时的功率密度极高,瞬间可放出大量电能,可满足车辆更加宽泛的电力需求;第三,工作适应能力更佳,通常室外温度在-40℃-65℃时,其都能稳定正常工作(传统电池一般为-20℃~60℃)。

  当然,有优势就会有不足,能量密度低就是制约超级电容发展的首要瓶颈,所以,目前其主要应用于车辆启动系统、军事及少量公交车辆,至于是否可作为家用车动力电源使用,还需等能量密度难题有所突破后方可知晓。

  飞轮电池是上世纪90年代提出的一种新概念电池,也属于物理电池的一种。简单来说就是利用类似飞动时产生能量的原理来实现自身充放电的。在2010年10月美国勒芒系列赛最后一轮中,保时捷911 GT3混合动力赛车就首次正式使用飞轮电池技术,而其便是鼎鼎大名的保时捷918 Spyder的前身。不过这两款车型的飞轮电池均仅作辅助能源使用,其功能类似于我们常见的制动能量回收系统。即便如此,我们依然有理由相信,随着技术的不断发展及价格进一步降低,飞轮电池的应用前景将十分广阔。

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