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從技術層面談談動力電池性能

發布時間:2017-05-23 18:21:09  瀏覽次數:



 

如何評價一款動力電池?這是一個很大的話題,本文暫且拋開其他例如成本制造等因素去談,只就技術層面談談性能評價這一個方面。首先我想先談談兩個誤區。

  不要拋開整車的需求去單獨評價電池

  首先我認為第一個層面的認知是沒有最好的動力電池,只有最適合一款車的電池,拋開整車的需求去單獨評價一款動力電池的好壞都是有失公允的。做評價的第一步就是弄清楚自己的需求,你弄不清楚自己需要維生素還是蛋白質,你怎么知道自己吃蘋果好還是吃魚肉好呢。

  在美國比較經典的手冊《FreedomCAR》中有一個術語叫BSF(BatterySizeFactor),解釋是“對于特定的電池或模組設計,是一個單體或模組能夠滿足所有FreedomCAR性能和壽命目標的最小的整數”,其實可以這么簡單理解,就是一個將電池系統的整體要求分解成為一個單體或者模組要求的被除數,這個被除數是多少完全取決于你的系統要求和你的單體實際水平,例如整車設計上要求電池系統在某工況下的脈沖功率要求能達到50kw,你在評價一個100串構成的電池包時,這個被除數就應該是100,而500W就應該是對每一個單元該工況下脈沖能力的評價指標,而這個被除數也應該被同時去用來分解,并評價其他一系列的其他性能。這其實就告訴我們了做動力電池評價的第一步就是分解整車的需求。這也是我們需要主要的第一個誤區。

  不能僅就一個方面去談電池的整體性能

  經常可以在網上看到這樣的新聞,“XX公司最新研制的電池單體質量比能量已達到500Wh/kg,續航XXX公里,完敗特斯拉”,“XX新型石墨烯電池循環壽命達3500次”“XX汽車電池系統只用充電5分鐘,能跑X百公里”,從而吹噓自己的電池技術獲得了突破,我認為這些都是十分片面的,并不能公正的評價是否技術真的取得了突破,我舉一個例子給大家,請讀者們判斷下面幾個人誰做適合打籃球?

  誰適合打籃球?

  甲:一個跑步速度很快,但身高只有170cm的人;

  乙:一個身高2米2,但是體質瘦弱很容易受傷的人;

  丙:一個體力充沛,跑4個小時都不會累,但身高速度都一般的人;

  也許讀者很難做出判斷,其實甲就好比是LTO體系的電池,可以快充快放,但是電壓低決定了其比能量不高,乙呢就像是一個富鋰正極材料的電池,比能量可以做到很高,但是自身的體能和安全又難得到保證,丙呢就好比是個LFP體系的電池,中規中矩踏實耐用,但各項能力均不突出;所以在現實的應用中一般也會根據實際的使用場景來選擇合適的電池,就好比讓甲去打后衛,讓乙去打中鋒;談到這里相信讀者朋友也不會再因為中國有一個人身高到了2米4的人就認為中國籃球能爭霸全球了吧。

  拋開以上的兩個誤區,我們再回到動力電池的本質,動力電池的本質其實就是一個車載的化學儲能裝置,我們知道化學儲能只是很多種儲能方式的一種,其他還包括物理儲能,電磁儲能。既然本質是儲能裝置,那很容易理解,我們就應該關注什么?第一能儲多少能,儲的能會不會“溜走”,也就是儲能的能力;第二既然儲了就要用,我們接著應該關注他能量的釋放能力,能怎么用?最后我們更應該關注的是這個儲能裝置對能量的控制能力,第一我們好控制它嘛?第二它自己在車載復雜環境中控制的了自己嘛?

  能量的儲存能力

  怎樣評價一款動力電池的能量儲存能力?我認為主要在于兩個方面,第一在能儲多少能;第二在儲能的穩定性;

  第一能儲多少能?其實直觀的看其實就是一個電池的容量,但是這個電池的容量并不是一個電池本身的容量大小,而考核的是電池整個全生命周期能釋放的能量,其實這么看就已經把Fresh的電池和壽命末期的電池全部考慮在內了。但是儲能能釋放多少的本身,其實在于你怎么去用這個電池,如果還在用1C滿充滿放去考察一個電池能循環多少次的話,我覺得這早就totallyout了,首先這種方式的考察并沒有任何實際意義,除了可以橫向對比幾個不同配方的電池外我認為并沒有其他任何的參考價值,因為正如評價電池需要首先分解整車需求一樣,考察電池的壽命也應該是模擬整車的工況,整車是很難出現100%DOD1C持續循環的情況的,就好比你沒看見過誰開著電動車一直勻速往前開,不剎車,開沒電了充滿電繼續開,開10年;考察電池的壽命或者也就是說全生命周期的儲能能力,一定要是與整車的工況相結合的考察才有意義,你車上實際怎么用?在什么SOC的區間?是CD還是CS?電用完了是怎么充電,快充還是慢充,全部結合起來的考察才是有實際意義的。

  第二在于儲能的穩定性,其實就是考察你不怎么用的時候,放在那能量會不會有損耗,這也就是所謂的日歷壽命所考察的,當然日歷壽命也不是放在那完全不動,也是需要你用一定的簡單工況,同時也應該針對不同的車型的實際工況在不同的溫度下進行,并伴隨著對電池本身狀態的跟蹤,最終建立起對這個電池日歷狀態的認識。

  能量的釋放能力

  能力的釋放能力我覺得一句話概括就是考察,在各種工況條件下,你能怎樣釋放你的能力。

  這就包含了兩個層面的意識,第一是在各種工況,例如不同的溫度,不同的SOC,不同的生命周期,第二是能怎么放,能放多久,能放多少。把兩個層面的意思咱們在做個正交,其實你就能大致明白你評價的這款電池到底是一個什么樣的能量釋放能力了。

  能量的控制能力

  最后一個就是能量的控制能力,我覺得仍然是兩個方面的意思,第一我們怎么去控制它?第二它自己受到打擊會不會不能控制自己;

  第一其實談的就是BMS,而好不好控制其實就是這個電池好不好標定,怎么去標定這個電池的SOC,其實這一直是個難題,而好不好控制它其實就首先建立在標定好的基礎上的,不同體系的電池其實標定的難度也是不同的,就比如SOC-OCV曲線,這其實只是一條基線,我們在線計算時往往需要在他上面做修正,而這個擴散電壓的計算和RC模型的建立,其實往往又跟電池的不同體系,或者功率和能量型的設計有關,體系不同模型的復雜程度也不同,更有甚者即使就是不同溫度的變化對電池靜態時電壓的影響也是不同的,當然控制的難度也會不同,所以我認為電池本身好不好控制其實本身也成為了評價一款動力電池的標準之一;

  第二其實就是電池本身的設計讓它能不能管好自己。除了整車的正常使用,我們還需要考慮各種極端情況,比如針刺,擠壓,浸水,火燒等等在這些特殊的極端工況下,電池能不能“把持”住自己從而不發生連鎖的熱失控,當然這方面對電池整個系統的驗證遠遠不止這些,這里不做贅述,但這也是我們考慮的一個重點。

  綜上所述,我們談到了兩個誤區,也同樣談到了對電池這個本身化學儲能裝置的本質判斷,包括能量的儲存,釋放和控制,當然這里都是比較淺的聊了一下,如果讀者朋友有興趣可以自己去看看比較經典的美國出的《FreedomCAR》手冊和UN/WP29制訂的ECE_R100兩套標準,當然后面如果有機會也愿意與讀者朋友共同討論理解這兩個經典資料。

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