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【电动车】电池那点事儿

导语
百年前采用内燃机驱动的汽车进入寻常百姓家,依靠的是流水线作业带来大幅成本下降;而今天,电动汽车掀起了新的革命,关键点则是提高电池的能量密度,降低成本等问题。

 

我在一个月时间里集中体验了三款不同的电动车,从续驶里程勉强达到100公里的荣威E50,到拥有9升油箱的增程式宝马i3,再到与普通燃油车续驶里程相差无几的特斯拉Model S,可以说,随着续驶里程的提升,驾驶电动车的焦虑感也会随之减轻。从这点上来讲,特斯拉真的是一款非常令人心动的产品。

所以说,我们都知道锂电池凭借较高的能量密度,已经成为电动汽车制造商们不二的选择。但是根据正极材料的不同,锂电池又可以分为多个种类。至于究竟采用何种技术,各个汽车厂商都有着自己的算盘,他们根据车型定位、用途、电源管理技术乃至供应商关系等多重考虑,从而做出选择。

锂离子由于独特的活性导致其电池产品具有一定的不稳定性,当电池产品品质不佳时,容易发生自燃和爆裂等事故,手机、笔记本电脑等电池相关事故常见于报端。而对于一辆电动车来说,动辄数千枚锂电池串联、并联,安全性自然更是重中之重。透过现有主流电动车所采用的锂电池类型来看,传统汽车厂商明显更青睐于使用那些安全性较好的磷酸铁锂或锰酸锂电池,这两种技术已经成为现今电动汽车中的主流。其中由于磷酸铁锂电池在我国拥有广泛的供应商基础,因此尤其受到自主品牌的喜爱。而特斯拉为了获得最大化的续驶里程,采用了能量密度高但安全性一般的钴酸锂电池,这一方面得益于其强大的电源管理技术,另一方面也凸显了这家高科技企业的“大胆决心”。

无论采用哪种技术的锂电池,在现有的技术前提下,均只能实现约100~250Wh/kg的能量密度,根据技术人员预测,在未来数年内这个数值有望提升一倍。但这与汽油高达13000Wh/kg的能量密度相比仍然差距甚大。所以我们需要新的技术来解救电动车困局。

【动力电池技术前景展望】

无论是奔驰一直致力于的氢燃料电池技术,还是最近高调进行了路试的铝空气电池技术,它们从原理上来说都属于动力电池的一种,其自身就相当于一个发电装置。

近日,美铝加拿大公司和以色列Phinergy公司在蒙特利尔向大众展示了一种具有超级续驶能力的电池技术:一辆电动汽车能连续驰骋19个小时,从多伦多开到1800公里外的哈利法克斯,而且全程无需停车充电。该公司表示,一块100公斤重的铝空气电池可以提供约3000公里行驶里程的电量,而特斯拉Model S的电池重量为500公斤,续驶里程不到500公里。

 

铝空气电池实际上是一块大部分由铝制成的厚重面板。铝板利用从空气中吸收的氧气以及用户给汽车加的水产生化学作用,将铝变成氧化铝,从而释放出能量,为汽车持续提供动力。铝的氧化反应在铝暴露在空气中时会自然发生,表面的氧化铝会阻止深层的铝继续发生反应,新电池采用的新技术则包含了电解质可溶解表面氧化层,使反应持续进行。

不过由于普通用户无法在家中自行为铝空气电池充电,所以其尚不能独自投入使用,公司目前给出的解决方案是搭配普通锂电池共同使用,让铝空气电池作为后备电能。就目前来看,这种理论能量密度接近汽油的新技术,是唯一可以与氢燃料电池一较高下的新技术。在普通锂电池技术没有大幅突破的前提下,动力电池并没有完全失去机会。

【无线充电技术或能另辟蹊径】

提高电池的能量密度从很大程度上来讲可以缓解人们的焦虑感,但如果不能像加油那样迅速地完成充电过程,那么电动车的长距离行驶能力依然较弱。现阶段所有电动车厂商们面对的共同问题就是充电标准之争及充电桩基础设施建设推进不易。

在中国,国家电网已经放开了民间资本参与兴建充电桩的许可。比如特斯拉就牵手银泰集团在其旗下商厦内兴建充电桩,以实现“目的地充电”的目标。而在上海,宝马集团率先与国家电网上海电力公司达成合作协议,共同兴建可供宝马i系列电动车以及上汽荣威等车型使用的标准化充电桩,特斯拉却并不被兼容。如果没有政府层面协调,充电桩标准无法统一,实际上最终吃亏的仍然是广大消费者。

但如果能在开车的同时解决充电的问题,那么我们就再无后顾之忧了。基于电磁感应充电理论的无线电能传输技术实际上并不新鲜,在牙刷、电脑等小型设备供电的电源中我们已经看到了它投入实用的场景。但为电动车充电,似乎并没有完全准备好。

这种充电方式的关键是利用磁共振,将电感耦合的强度提升到新的水平。要做到这一点关键在于保持线圈周围的磁场稳定在一个正常的频率范围内。这样的充电系统在过去十年里为热那亚、都灵两个意大利城市的30辆电动公交车提供电能。埋在地下的线圈在公交车进站时可以为其补充10%至15%的电量。该系统的德国生产商Conductix-Wampflier称,系统的能量传输效率可达95%,而且不受天气因素影响。且充电频率越高,电池寿命越长。车内的地板能够隔绝磁场,防止诸如起搏器之类的电子设备受到干扰。犹他州立大学在联邦交通局的资助下研发出了一套类似的充电系统。

这些无线充电设备正一步步引领我们迈向终极目标:让车辆在行驶的同时能够完成充电。去年八月,韩国科学技术院(KAIST)发明了有史以来第一条真正意义上的电子高速公路。两辆电动巴士在韩国龟尾市一条长24公里的线路上运行。车辆通过铺设在路面下方,长度约占整条线路5%至15%的线圈进行充电。巴士可以在缓慢消耗能量的同时完成电量补充。韩国科学技术院计划今年在更多的线路上应用这套系统。

试想一下,一条可以让车一边充电,一边以120公里/小时车速行驶的高速公路会是什么样子?技术的进步让更小、更轻、更便宜的电池不再是梦想。车主上缴的养路费则用来支付电费及建设基础设施。

这样的电动车革命还要等多久?无线充电领域的领导者,Witricity公司首席技术官Katie Hall认为,人们将在2020年实现这项技术,而在诸如校园或机场巴士这样的公交车领域所需的时间可能更短。

无论如何,电动车(包括其他新能源车)的推广仍将会是一个长期的过程。售价昂贵的特斯拉ModelS和宝马i3等暂时注定只能成为有钱人的“玩具”,那些更草根的自主品牌新能源车型拥有更宽广的舞台,但这一切都离不开政府政策方面的扶持和相应的优惠政策。但这种优惠政策能持续多久,恐怕并不会太久,优惠补贴幅度也已经呈现逐年下降的趋势,所以,该出手时还得及时出手啊!

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