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新能源技术路线的选择

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发布时间:2019-05-01 20:51:43



新能源技术路线的选择



4月21日晚上上海徐汇区某小区地下车库内,一辆特斯拉轿车突然冒烟燃烧,并引燃了停靠在旁边的一辆奥迪,相关视频传到网上后,引起了极大地关注。


  这并不是特斯拉第一次发生自燃,今年3月,一辆特斯拉Model S在广州市某小区地下停车场自燃;去年年初,重庆某小区地下车库中也有一辆特斯拉Model S毫无征兆地冒烟起火。同时,其他品牌的纯电动车的自燃也时有发生。


  一时间,关于电动车安全问题的讨论也引起了热烈争议。


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  为什么电动车会发生自燃?


  电动车频繁出现自燃或者爆炸背后有两个层次的原因:


  1)电池能量密度提高后导致电池稳定性下降;


  2)电池管理系统(BMS)技术不达标。


  第一点,电池能量密度过高。目前在电动车上使用的动力电池主要有两种,磷酸铁锂电池和三元锂电池。


  在三元锂电池大规模应用之前,磷酸铁锂电池是动力电池的主流路线,比亚迪(002594)早年也是做磷酸铁锂电池起家的。磷酸铁锂电池的优点是成本低,稳定性很好,因而更加安全。但是磷酸铁锂电池的主要不足是能量密度相对三元锂电池较低,这是由于其材料属性决定的。


  由于续航里程是电动车使用最大的痛点,因此电池系统提高能量密度对于电动车的重要性不言而喻。如果电池能量密度不能提高,相同电量的电池就会更重,这会导致电动车的百公里能耗上升,很多电被耗在了承载更重的电池上,而且更重的电池也会占用更大的空间,导致车身容量更加紧凑。



  举个例子,比亚迪唐EV600这个车型,电池电量是82.8kwh,系统能量密度是161kwh,电池重量就是514kg,而唐EV600整备质量也只有2295kg,光电池就占了近1/4。161kwh的系统能量密度在行业内已经算的上高的了,如果能量密度更低,那么电池的重量就会更重。


  所以过去几年,政策的引导是鼓励往能量密度更高的方向发展,包括新能源补贴政策也给予能量密度高的电池更高的力度。三元锂电池由于在能量密度上有着更高的天花板,因此得以快速发展。


  何为三元,三元指的是正极使用镍、钴、猛或者镍、钴、铝三种材料,按照一定的比例形成的化合物。目前国内主要使用的NCM三元电池,而特斯拉使用的是松下的NCA三元电池(N/C/M/A分别指镍、钴、猛、铝四种元素)。


  以NCM三元电池为例,三种材料的比例不同,也会导致电池能量密度的不同,其中镍的含量越高,电池的能量密度也会越高,这也是行业开始由之前的532、622三元材料升级为811三元材料(811代表N/C/M三种材料比例为8:1:1,其他同理)。但是镍比例越高,正极材料的热稳定性就越差,安全隐患就越大。因此电池能量密度和安全性始终是需要权衡的两个方面。


  当然,解决的方法包括使用新型电解液、新的负极材料、表面涂覆等技术,不过目前由于成本和技术的问题尚难大规模应用。


  第二点:电池管理系统(BMS) 出现问题。我们以特斯拉model S经典的18650电池为例。18650指的是电池的直径和长度分别为18mm和65mm,0代表圆柱形电池。


  在model S85车型中,共有7104节18650电池。其中每74节并联成一个小单元,6个这样的单元串联成一个电池组,再由16个这样的电池组串联成整个电池板。




  要实现对这么多锂电池的管理,必须要有一套精细的电池管理系统。每节电池都有独立的保险丝链接着,当单节电池出现温度过高时,保险丝自动熔断,以保证不影响其他电池的正常工作。同时每一组电池之间也都有金属隔板分隔开。



  在电池组内部,还有密集的冷却液管路,通过内部流动的冷却液实现对电池组的降温,防止电池温度过高导致电池性能下降以及减低风险。


  同时在每一个电池组中,都有独立的电池管理系统位于电池组侧面,电池管理系统用来对众多电池的状态信息进行收集,包括充放电电压、电流,温度,电量等信息,然后将这些信息传输到中央处理器,然后再中央处理器发出指令,实现对单个电池的管理。


  BMS对于电池的正常运营非常重要,可以说是整个电池系统的大脑和神经系统。特斯拉的BMS是自己开发的,自己拥有技术专利,这也是特斯拉的核心竞争力之一,即便同样采用了松下的电芯,不同的BMS也会导致电池系统的性能出现很大的差距。


  根据专家的现场检测,此次特斯拉的爆炸原因是由于电池的短路,很大程度上是BMS出现了问题。


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  新能源技术路线选择的考虑


  我国的现代汽车工业起步相比欧美晚了近百年,从1984年设立第一家合资公司试图以市场换技术的方式,掌握造车核心技术。然而对于汽车工业于一国制造业强盛的重要性,在合资公司开始成立的若干年中相关人士并没有充分认识,我们在做强汽车工业的长期战略上并没有清晰的路线,因而出现了短期战术上的迂回试错,三十多年来仍然没有培养出可以在全球具有竞争力的车企。


  然而作为民用工业中最为复杂的产业,汽车的产业链条长,涉及面广,资金、人才和技术都高度密集,因而成为制造业转型升级最佳的突破口。为了避开传统汽车发动机和变速箱制造上的劣势,实现弯道超车,新能源汽车给了我们绝佳的机会。


  正是由于以上原因,我们的新能源政策尽可能朝着鼓励电机直接驱动的方式发展,能不用发动机就尽量不用发动机。于是政策的导向是大力鼓励纯电动乘用车,对于插电式混动的鼓励要小很多,而对于油电混合技术路线根本就没有任何鼓励。这都是由我国的汽车工业基础决定的。


  同时我们也大力的在动力电池的发展了给予了很大的政策倾斜,同时通过一些限制性的政策将LG化学、三星、松下等一些国际电池巨头挡在门外,为自家的电池企业的发展提供了宝贵的时间窗口。形成了如今中日韩动力电池三足鼎立的局面。


  我们不必去用自由市场的理念来批判这些政策是否公平。对于像汽车这种对于一国经济就业和制造业强盛至关重要的产业,我们必须培育自己的品牌。韩国当年为了发展汽车产业,也实行了合资制度。


  20世纪石油危机,面对来自日本小轿车的冲击,美国三大车企经营每况愈下,美国政府及时展开了与日本的贸易战,从而挽救了底特律的汽车产业。08年金融危机时,美国政府再次向三大巨头通用、福特和克莱斯勒伸出了援助之手。在汽车强国的汽车工业发展史中,政策的干预如影随形。




  对于中国这么大的一个经济体,我们不可能通过把手表产业做到极致实现制造强国,只有汽车产业才具有如此之大的体量和技术深度,而为了实现汽车工业振兴,长远战略、政策的顶层设计以及对于汽车产业的支持都是必不可少的。


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  政策导向新的变化


  在过去几年补贴政策的鼓励下,正极材料技术不断突破,电芯的能量密度越来越高,目前宁德时代系统能量密度180wh/kg的NCM 811电池已经搭载到吉利和广汽的部分车型中。比亚迪的NCM811电池也将于2020年搭载上市。


  随着三元锂电池单体的能量密度突破300wh/kg,其能量密度已经逐渐接近上限,想通过三元技术路线实现单体能量密度达到350wh/kg非常困难。同时随着能量密度的提升,电池的安全隐患也更加突出。目前业内判断3-5年内电池能量密度很难再上一个新台阶,而下一代固态电池的规模化商业应用少则3年,长则10年。


  因此寄希望于不断提升的电池能量密度实现续航里程的增加,目前已经出现了瓶颈。山不转水转,不是电动车路线行不动,而是必须转变思路。


  在2018年的新能源补贴政策中,出现从补电到补充电桩等用电环节的提法;2019年的新能源补贴政策中取消了地补,正式提出地补用于补贴充电桩等运营环节,并且对于乘用车160wh/kg能量密度的技术标准没有进一步提高,政策的思路已经发生了明显的转向,从电池”够用“转向电池”好用“。


  在19年的新能源补贴政策中,开始更加注重对于电动车百公里能耗的考核,百公里能耗是一个更加综合的考核指标,涉及到了电池的能量密度、车身的重量、能量转化的效率等。从之前分别考核单个指标向着更加综合的指标考核,其实是增大了企业们选择的自由权。电池技术强的就好好做电池,造车厉害的就努力把车身风阻降低,做好轻量化。八仙过海,各显神通,大家各自发挥自己的优势。


  在这一过程中,车企对于电池的选择也更加理性,在综合考虑成本、性能和补贴力度的情况下,有些企业可能会退而用成本更低磷酸铁锂电池替代三元锂电池,而续航里程问题也可以通过更多的充电桩来解决。


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  车企们对于技术路线的选择


  车企根据自身的实际情况,选择了大体以下几种新能源技术路线:


  油电混动


  以丰田为代表的的日本车企主要走的是油电混动的技术路线,代表车型是丰田的普锐斯,早在1997就已经上市。日本车企在油混技术方面技术积累雄厚。


  油电混动路线主要动力仍然是发动机,电池的作用主要是用来降低油耗。在制动时将动能转化为电能存储在电池中,这部分电能可以在汽车加速需要额外能量时通过驱动电机释放,另外在部分拥堵路况时,也可以由电机驱动行使,因而具有很好的燃油经济型,同时排放的尾气也更少。


  但是油电混动车型是不能通过外部电源给电池充电的,在国内不能认定为新能源车型,因而不可以拿到绿牌和补贴。同时从技术壁垒上看,由于发动机和变速箱在油电混动路线上必不可少,同时日本在油电路线上已经积累绝对性优势,这条路线在国内推广起来非常之难。


  插电混动


  这是较为主流的一种技术路线,汽车的动力系统包括两部分,一个是发动机和变速箱组成的燃油动力系统,一部分是由电池、电机、电控组成的电动系统,两部分都可以独立的驱动车辆。同时由于可以从外部对电池进行充电,因而在国内是被认定为新能源车型的。


  传统的整车厂一般都会有自身的燃油车和动力系统制造平台,因此会在自身的燃油平台上选择额外增加一个三电系统来开发插电混动车型,三电系统都可以外部采购,因而开发插混车型相比直接上来就开发纯电车型要顺手得多,也不必去打造一个全新平台。大多数传统整车厂开始推出的新能源车型主要都是混动车型。


  目前插混车型的带电量普遍不高,在20度以下,因此纯电状态续航大概是100km以内。纯电状态,适合城市内通勤,省油环保;燃油状态下,可以跑远程,没有续航焦虑;最关键的是不需要摇号,可以拿绿牌。对于很多担心续航里程,同时又不想摇号的人来说,是非常合适的选择。


  纯电动


  纯电动技术路线是我国主推的技术路线,主要是因为我们在传动动力系统上的短板。同时由于欧洲愈加严格的排放标准,即使采用混动路线也难以应对,因此欧洲的车企业纷纷将发展纯电动作为长期战略。


  包括上汽、广汽、吉利、长城等国内头部车企都已经开发了自己的纯电动平台,并且都有多款车型量产。同时新造车势力们由于在传统动力系统上并无积累,绝大多数采用纯电动技术路线,电芯靠买,自己组装,电机电控也都可以买,因此技术方面较插混路线容易很多。


  纯电动车型目前最大的问题还是在于续航和充电上,好一些的车型可以跑到500KM,大部分乘用车目前集中在300-500km之间,想跑个长途总是有顾虑,而且国内目前的充电桩密度明显不够,充电难、充电慢都影响着对于电动车的使用体验。


  在一段时期内,新一代电池技术如固态电池出来之前,能量密度也难以再大幅提升,因此续航里程的突破口就在充电桩的布局以及快充技术的发展上,同时需要解决不同充电桩运营商数据整合的难题,目前不同的充电桩运营商都有各自的APP,因此需要下载多种APP才能了解附近不同运营商的充电桩情况。 而大功率快充的技术对于解决充电等待也必不可少。电动车的下一阶段主题将转为好用。


  增程式电动车


  增程式电动车同时装有电池、电机和发动机,既可以充电也可以加油,电机驱动车轮,和插电式混动不同的是,增程式电动车中,发动机和电机相连,只用来带动电机。


  有的人肯能会有这样的疑问:通过发动机给驱动电机,然后再由电机驱动车轮,能量损耗岂不是更大。事实上,增程式电动车的效率是可以做到比传统的燃油车更有效率的,主要有以下几个原因:


  1)传统发动机输出的动力需要经过变速箱和传动轴,然后才能驱动车轮,在这两个环节,也会产生较多的能量损耗。而在增程式中,发动机直接驱动电机,然后电机驱动车轮,电机的动力转化效率是很高的。


  2)一般在燃油车的运行中,发动机并不能一直保持在一个最优的转速下工作,这就会导致燃油经济性的下降,而在增程式中,发动机只用来驱动电动机,可以始终保持在高燃油经济性的转速区间,因此效率更高,多余的电量还可以存储在电池中。


  对于国内车企来说,使用增程式另外一个优势就是可以避开变速箱,同时对于发动机性能的要求也不高,因而可以避开短板。在这次上海车展中,新造车势力的理想one使用了增程式路线,纯电续航180公里,可以用来市内通勤,如果长途的话,就可以加油,免除了续航里程焦虑。吉利汽车也展出了一台增程式动力系统,未来也将有望搭载在旗下新车中。


  目前增程式在北京拿不到新能源牌照,而在上海和深圳是可以的,政策上目前不大可能限制增程式路线。