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三分快3注册:新能源技術路線的選擇

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作者 |南山范德彪

數據支持 | 勾股大數據

4月21日晚上上海徐匯區某小區地下車庫內,一輛特斯拉轎車突然冒煙燃燒,並引燃了停靠在旁邊的一輛奧迪,相關視頻傳到網上后,引起了極大地關注。

這並不是特斯拉第一次發生自燃,今年3月,一輛特斯拉Model S在廣州市某小區地下停車場自燃;去年年初,重慶某小區地下車庫中也有一輛特斯拉Model S毫無徵兆地冒煙起火。同時,其他品牌的純電動車的自燃也時有發生。

一時間,關於電動車安全問題的討論也引起了熱烈爭議。

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為什麼電動車會發生自燃?

電動車頻繁出現自燃或者爆炸背後有兩個層次的原因:

1)電池能量密度提高后導致電池穩定性下降;

2)電池管理系統(BMS)技術不達標。

第一點,電池能量密度過高。目前在電動車上使用的動力電池主要有兩種,磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

在三元鋰電池大規模應用之前,磷酸鐵鋰電池是動力電池的主流路線,比亞迪(002594)早年也是做磷酸鐵鋰電池起家的。磷酸鐵鋰電池的優點是成本低,穩定性很好,因而更加安全。但是磷酸鐵鋰電池的主要不足是能量密度相對三元鋰電池較低,這是由於其材料屬性決定的。

由於續航里程是電動車使用最大的痛點,因此電池系統提高能量密度對於電動車的重要性不言而喻。如果電池能量密度不能提高,相同電量的電池就會更重,這會導致電動車的百公里能耗上升,很多電被耗在了承載更重的電池上,而且更重的電池也會佔用更大的空間,導致車身容量更加緊湊。

舉個例子,比亞迪唐EV600這個車型,電池電量是82.8kwh,系統能量密度是161kwh,電池重量就是514kg,而唐EV600整備質量也只有2295kg,光電池就佔了近1/4。161kwh的系統能量密度在行業內已經算的上高的了,如果能量密度更低,那麼電池的重量就會更重。

所以過去幾年,政策的引導是鼓勵往能量密度更高的方向發展,包括新能源補貼政策也給予能量密度高的電池更高的力度。三元鋰電池由於在能量密度上有着更高的天花板,因此得以快速發展。

何為三元,三元指的是正極使用鎳、鈷、猛或者鎳、鈷、鋁三種材料,按照一定的比例形成的化合物。目前國內主要使用的NCM三元電池,而特斯拉使用的是松下的NCA三元電池(N/C/M/A分別指鎳、鈷、猛、鋁四種元素)。

以NCM三元電池為例,三種材料的比例不同,也會導致電池能量密度的不同,其中鎳的含量越高,電池的能量密度也會越高,這也是行業開始由之前的532、622三元材料升級為811三元材料(811代表N/C/M三種材料比例為8:1:1,其他同理)。但是鎳比例越高,正極材料的熱穩定性就越差,安全隱患就越大。因此電池能量密度和安全性始終是需要權衡的兩個方面。

當然,解決的方法包括使用新型電解液、新的負極材料、表面塗覆等技術,不過目前由於成本和技術的問題尚難大規模應用。

第二點:電池管理系統(BMS) 出現問題。我們以特斯拉model S經典的18650電池為例。18650指的是電池的直徑和長度分別為18mm和65mm,0代表圓柱形電池。

在model S85車型中,共有7104節18650電池。其中每74節並聯成一個小單元,6個這樣的單元串聯成一個電池組,再由16個這樣的電池組串聯成整個電池板。

圖片來源:YouTube視頻截圖

要實現對這麼多鋰電池的管理,必須要有一套精細的電池管理系統。每節電池都有獨立的保險絲鏈接着,當單節電池出現溫度過高時,保險絲自動熔斷,以保證不影響其他電池的正常工作。同時每一組電池之間也都有金屬隔板分隔開。

圖片來源:YouTube視頻截圖

在電池組內部,還有密集的冷卻液管路,通過內部流動的冷卻液實現對電池組的降溫,防止電池溫度過高導致電池性能下降以及減低風險。

同時在每一個電池組中,都有獨立的電池管理系統位於電池組側面,電池管理系統用來對眾多電池的狀態信息進行收集,包括充放電電壓、電流,溫度,電量等信息,然後將這些信息傳輸到中央處理器,然後再中央處理器發出指令,實現對單個電池的管理。

圖片來源:YouTube視頻截圖

BMS對於電池的正常運營非常重要,可以說是整個電池系統的大腦和神經系統。特斯拉的BMS是自己開發的,自己擁有技術專利,這也是特斯拉的核心競爭力之一,即便同樣採用了松下的電芯,不同的BMS也會導致電池系統的性能出現很大的差距。

根據專家的現場檢測,此次特斯拉的爆炸原因是由於電池的短路,很大程度上是BMS出現了問題。

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新能源技術路線選擇的考慮

我國的現代汽車工業起步相比歐美晚了近百年,從1984年設立第一家合資公司試圖以市場換技術的方式,掌握造車核心技術。然而對於汽車工業於一國製造業強盛的重要性,在合資公司開始成立的若干年中相關人士並沒有充分認識,我們在做強汽車工業的長期戰略上並沒有清晰的路線,因而出現了短期戰術上的迂迴試錯,三十多年來仍然沒有培養出可以在全球具有競爭力的車企。

然而作為民用工業中最為複雜的產業,汽車的產業鏈條長,涉及面廣,資金、人才和技術都高度密集,因而成為製造業轉型升級最佳的突破口。為了避開傳統汽車發動機和變速箱製造上的劣勢,實現彎道超車,新能源汽車給了我們絕佳的機會。

正是由於以上原因,我們的新能源政策儘可能朝着鼓勵電機直接驅動的方式發展,能不用發動機就盡量不用發動機。於是政策的導向是大力鼓勵純電動乘用車,對於插電式混動的鼓勵要小很多,而對於油電混合技術路線根本就沒有任何鼓勵。這都是由我國的汽車工業基礎決定的。

同時我們也大力的在動力電池的發展了給予了很大的政策傾斜,同時通過一些限制性的政策將LG化學、三星、松下等一些國際電池巨頭擋在門外,為自家的電池企業的發展提供了寶貴的時間窗口。形成了如今中日韓動力電池三足鼎立的局面。

我們不必去用自由市場的理念來批判這些政策是否公平。對於像汽車這種對於一國經濟就業和製造業強盛至關重要的產業,我們必須培育自己的品牌。韓國當年為了發展汽車產業,也實行了合資制度。

20世紀石油危機,面對來自日本小轎車的衝擊,美國三大車企經營每況愈下,美國政府及時展開了與日本的貿易戰,從而挽救了底特律的汽車產業。08年金融危機時,美國政府再次向三大巨頭通用、福特和克萊斯勒伸出了援助之手。在汽車強國的汽車工業發展史中,政策的干預如影隨形。

對於中國這麼大的一個經濟體,我們不可能通過把手錶產業做到極致實現製造強國,只有汽車產業才具有如此之大的體量和技術深度,而為了實現汽車工業振興,長遠戰略、政策的頂層設計以及對於汽車產業的支持都是必不可少的。

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政策導向新的變化

在過去幾年補貼政策的鼓勵下,正極材料技術不斷突破,電芯的能量密度越來越高,目前寧德時代系統能量密度180wh/kg的NCM 811電池已經搭載到吉利和廣汽的部分車型中。比亞迪的NCM811電池也將於2020年搭載上市。

隨着三元鋰電池單體的能量密度突破300wh/kg,其能量密度已經逐漸接近上限,想通過三元技術路線實現單體能量密度達到350wh/kg非常困難。同時隨着能量密度的提升,電池的安全隱患也更加突出。目前業內判斷3-5年內電池能量密度很難再上一個新台階,而下一代固態電池的規模化商業應用少則3年,長則10年。

因此寄希望于不斷提升的電池能量密度實現續航里程的增加,目前已經出現了瓶頸。山不轉水轉,不是電動車路線行不動,而是必須轉變思路。

在2018年的新能源補貼政策中,出現從補電到補充電樁等用電環節的提法;2019年的新能源補貼政策中取消了地補,正式提出地補用於補貼充電樁等運營環節,並且對於乘用車160wh/kg能量密度的技術標準沒有進一步提高,政策的思路已經發生了明顯的轉向,從電池」夠用「轉向電池」好用「。

在19年的新能源補貼政策中,開始更加註重對於電動車百公里能耗的考核,百公里能耗是一個更加綜合的考核指標,涉及到了電池的能量密度、車身的重量、能量轉化的效率等。從之前分別考核單個指標向著更加綜合的指標考核,其實是增大了企業們選擇的自由權。電池技術強的就好好做電池,造車厲害的就努力把車身風阻降低,做好輕量化。八仙過海,各顯神通,大家各自發揮自己的優勢。

在這一過程中,車企對於電池的選擇也更加理性,在綜合考慮成本、性能和補貼力度的情況下,有些企業可能會退而用成本更低磷酸鐵鋰電池替代三元鋰電池,而續航里程問題也可以通過更多的充電樁來解決。

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車企們對於技術路線的選擇

車企根據自身的實際情況,選擇了大體以下幾種新能源技術路線:

油電混動

以豐田為代表的的日本車企主要走的是油電混動的技術路線,代表車型是豐田的普銳斯,早在1997就已經上市。日本車企在油混技術方面技術積累雄厚。

油電混動路線主要動力仍然是發動機,電池的作用主要是用來降低油耗。在制動時將動能轉化為電能存儲在電池中,這部分電能可以在汽車加速需要額外能量時通過驅動電機釋放,另外在部分擁堵路況時,也可以由電機驅動行使,因而具有很好的燃油經濟型,同時排放的尾氣也更少。

但是油電混動車型是不能通過外部電源給電池充電的,在國內不能認定為新能源車型,因而不可以拿到綠牌和補貼。同時從技術壁壘上看,由於發動機和變速箱在油電混動路線上必不可少,同時日本在油電路線上已經積累絕對性優勢,這條路線在國內推廣起來非常之難。

插電混動

這是較為主流的一種技術路線,汽車的動力系統包括兩部分,一個是發動機和變速箱組成的燃油動力系統,一部分是由電池、電機、電控組成的電動系統,兩部分都可以獨立的驅動車輛。同時由於可以從外部對電池進行充電,因而在國內是被認定為新能源車型的。

傳統的整車廠一般都會有自身的燃油車和動力系統製造平台,因此會在自身的燃油平台上選擇額外增加一個三電系統來開發插電混動車型,三電系統都可以外部採購,因而開發插混車型相比直接上來就開發純電車型要順手得多,也不必去打造一個全新平台。大多數傳統整車廠開始推出的新能源車型主要都是混動車型。

目前插混車型的帶電量普遍不高,在20度以下,因此純電狀態續航大概是100km以內。純電狀態,適合城市內通勤,省油環保;燃油狀態下,可以跑遠程,沒有續航焦慮;最關鍵的是不需要搖號,可以拿綠牌。對於很多擔心續航里程,同時又不想搖號的人來說,是非常合適的選擇。

純電動

純電動技術路線是我國主推的技術路線,主要是因為我們在傳動動力系統上的短板。同時由於歐洲愈加嚴格的排放標準,即使採用混動路線也難以應對,因此歐洲的車企業紛紛將發展純電動作為長期戰略。

包括上汽、廣汽、吉利、長城等國內頭部車企都已經開發了自己的純電動平台,並且都有多款車型量產。同時新造車勢力們由於在傳統動力系統上並無積累,絕大多數採用純電動技術路線,電芯靠買,自己組裝,電機電控也都可以買,因此技術方面較插混路線容易很多。

純電動車型目前最大的問題還是在於續航和充電上,好一些的車型可以跑到500KM,大部分乘用車目前集中在300-500km之間,想跑個長途總是有顧慮,而且國內目前的充電樁密度明顯不夠,充電難、充電慢都影響着對於電動車的使用體驗。

在一段時期內,新一代電池技術如固態電池出來之前,能量密度也難以再大幅提升,因此續航里程的突破口就在充電樁的布局以及快充技術的發展上,同時需要解決不同充電樁運營商數據整合的難題,目前不同的充電樁運營商都有各自的APP,因此需要下載多種APP才能了解附近不同運營商的充電樁情況。 而大功率快充的技術對於解決充電等待也必不可少。電動車的下一階段主題將轉為好用。

增程式電動車

增程式電動車同時裝有電池、電機和發動機,既可以充電也可以加油,電機驅動車輪,和插電式混動不同的是,增程式電動車中,發動機和電機相連,只用來帶動電機。

有的人肯能會有這樣的疑問:通過發動機給驅動電機,然後再由電機驅動車輪,能量損耗豈不是更大。事實上,增程式電動車的效率是可以做到比傳統的燃油車更有效率的,主要有以下幾個原因:

1)傳統發動機輸出的動力需要經過變速箱和傳動軸,然後才能驅動車輪,在這兩個環節,也會產生較多的能量損耗。而在增程式中,發動機直接驅動電機,然後電機驅動車輪,電機的動力轉化效率是很高的。

2)一般在燃油車的運行中,發動機並不能一直保持在一個最優的轉速下工作,這就會導致燃油經濟性的下降,而在增程式中,發動機只用來驅動電動機,可以始終保持在高燃油經濟性的轉速區間,因此效率更高,多餘的電量還可以存儲在電池中。

對於國內車企來說,使用增程式另外一個優勢就是可以避開變速箱,同時對於發動機性能的要求也不高,因而可以避開短板。在這次上海車展中,新造車勢力的理想one使用了增程式路線,純電續航180公里,可以用來市內通勤,如果長途的話,就可以加油,免除了續航里程焦慮。吉利汽車也展出了一台增程式動力系統,未來也將有望搭載在旗下新車中。

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線。

燃料電池

燃料電池具有能量高、零污染的特點,作為一種高效的技術路線,有望在長距離續航和商用大功率場景有很大的應用空間。

隨着核電、風電、太陽能等發電方式越來越高效,能量的來源有了保障。然而能量的儲存需要更加高效的方式,而氫能源將成為一種非常有吸引力的方式,將多餘的電用來電解制氫,然後進行儲存,所以說未來氫能源有望成為一種高效的儲能載體。

在19年的新能源補貼中,也提到要加大對加氫站的投資建設,目前日企在氫燃料電池路線上技術領先。國內仍然處於起步階段,制氫、儲氫目前仍未有效突破,大規模商業運用還有一段較長時間。

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結語

行業內頻繁發生的電動車自然爆炸引起了廣泛關注,隨着三元鋰電池電芯能量密度逐漸接近理論上限,短期內動力電池能量密度很難再上一個新台階。而下一代固態電池、氫燃料電池目前因為技術和成本的原因仍難大規模商用。

在過渡階段內,油混、插混、增程都是很好的節能減排方式,目前車企也都開始根據自身的情況選擇不同的技術路線。政策的導向也開始從鼓勵具體的技術路線向制定油耗標準,從而讓車企自己選擇的方向發展。

家國大方向的錯位,于歷史或許只是一個微小的轉身,但于具體一個企業,新能源政策的短期迂迴,也足以讓一家企業變得不堪與不歸。

在新能源技術路線額制定中,既要站在一定的戰略高度進行頂層設計,同時在具體戰術上也要考慮政策調整的平滑。

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