电池技术到底哪家强？驱动轮
2022-10-09
电池技术到底哪家强？
九月二十八日晚上，本田新雅阁混动版正式上市，正在以各种姿势刷爆朋友圈。
就在今年，大众、通用、宝马等，也都纷纷推出了混合动力汽车，混动似乎突然之间火了。
在纠结该不该买混动汽车之前，不妨先读读这篇纯技术文章。
混动出现了什么流派？这真是一个大问题。个人觉得有3个角度是可以论一论“流派”的：
低温磷酸铁锂电池3.2V 20A
-20℃充电，-40℃ 3C放电容量≥70%
充电温度：-20~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃支持最大放电倍率：3C
-40℃ 3C放电容量保持率≥70%
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1)系统构型：行星齿轮派与非行星齿轮派
2)电池技术：锂离子电池派与镍氢电池派
3)电机技术：永磁同步派与感应电机派
本文重要从电池技术的角度来捋一捋不同的混动流派，电池技术哪家强呢？
锂离子电池路线vs镍氢电池路线
低温高能量密度18650 3350mAh
-40℃ 0.5C放电容量≥60%
充电温度：0~45℃
放电温度：-40~+55℃
比能量：240Wh/kg
-40℃放电容量保持率：0.5C放电容量≥60%
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正如谈纯电动避不开特斯拉相同，谈混合动力的时候，也都要和丰田普锐斯进行比较。
丰田普锐斯的混动系统构型堪称完美，近20年都无需大改，沿用至今。但其在电池类型的选择上，却是另外一番景象——丰田一直以镍氢电池为主，直至第4代普锐斯才供应了锂离子电池与镍氢电池两个版本，锂离子电池组，仅有56个Cells，而镍氢电池组则有168个Cells，因此两者在成本价格上相去不远，且输出电压也在伯仲之间，但锂离子电池组的重量较镍氢电池组轻了16公斤。与锂离子电池相比，镍氢电池有固有的劣势，可以预见到，丰田在不远的将来，将不得不转为以锂离子电池为主。
而作为比较的通用，则从最原始的BAS系统（皮带助力微混）到插电的沃蓝达、以及SPARK电动汽车，都坚决采用了锂离子电池路线。最近看过一篇很有意思的文章《原来特斯拉的电动汽车技术来自于TA》，文中讲到通用是锂离子电池路线的倡导者，通用EV1项目的负责人和特斯拉Roadster也颇有渊源。通用涉足电动汽车的历史可能要追溯到1990年（甚至更早），通用当年推出了一款电动汽车“Impact”，并供应给用户进行试用。
尽管该项目后来搁浅，试用的样车也被尽数回收，但是通过该项目积累了大量的电动汽车相关相关经验和技术，用在后续的VOLT、BEV以及BOLT上。后续从VOLT开始，大规模使用锂离子电池技术。即使只有0.5kWh电池的上一代君越eAssist，都采用了锂离子电池，要了解同时代别的微混车都在用铅酸。因此，通用在锂离子电池应用这一领域可谓占尽了先机，是第一个在所有从混动到纯电动都使用锂离子电池的厂家。可以说，通用是锂离子电池车用领域“第一个吃螃蟹的人”，这也是为何要把通用单独拎出来，作为“锂离子电池派”的典型。
通用锂离子电池派与丰田镍氢电池派相比，有以下差别：
a)能量密度：
电池的重要用途是储存能量，因此能量密度是电池的最重要参数，在这方面锂离子电池比较镍氢电池有较大的优势。以2012年推出的第三代普锐斯镍氢电池为例，1.3kWh容量，重量却达到53.3kg，能量密度才24.4Wh/kg；而同时代通用推出的VOLT，采用锂离子电池，电池包容量16kWh，重量为181.4kg，能量密度为88.2Wh/kg，两者能量密度差了差不多4倍。通用的最新产品，BOLT使用的电池包为LG的层状电池60kWh，435kg，其能量密度达到了138Wh/kg，最近上市的君越混动版本，采用了第二代Voltech，使用1.5kWh电池包，可为60kW和54kW的两个电机供应动力，功率密度可见一斑。
从这个角度来看，丰田还停留在中度混合动力的阶段，以短时间降低油耗为目的，而对未来的战略并不明朗；而通用是冲着深度混合动力方向去的，甚至为纯电动做好了技术铺垫，混合动力-插电式-纯电动的技术路线已经非常明确。
b)电池容量：
从电池容量来说，普锐斯的电池容量仅能供应不到10公里的纯电动行驶，而通用VOLT则可以供应多达60km的纯电动续驶里程。因此，丰田有关电池的思路就是辅助系统，而通用则把电池放到了和发动机同等重要的位置上。也就是说，丰田的混合动力还是以发动机为主，比如研发了阿特金森循环发动机，而通用的混合动力则把电池放在了较为重要的地位。
c)电池管理技术水平
从技术角度，锂离子电池系统比镍氢电池系统要复杂，技术难度更大。锂离子电池虽然能量密度高，使用寿命长，但对温度更加敏感，要设计复杂的热管理系统。例如，通用第二代VOLT设计了多种模式的热管理系统，可以用废热给电池加热，也可以用空调给电池冷却，设计非常节能和精妙，有效地新增了电池寿命和性能。而镍氢电池对温度敏感性较差，设计简单的热管理系统即可。另一方面，通用锂离子电池包较大（比如VOLT电池容量是普锐斯的十多倍），使用更先进的均衡技术、充放电控制技术等，使得Volt的电池组内的温度差可控制在2°C以内，有力地支持了8年的电池组寿命保证期。
通用的凯迪拉克CT6电池管理技术来源于第二代Volt电池管理的技术基础，也充分展示了在电池集成与管理方面的最高水平：由3段96S2P电池（96个电芯Cell，每个电芯包含2个电芯对CellPair）组成，外部由高压压铸铝板进行相应的保护，内部还包含必须的高低压线束以及散热管ThermalPlumbing，并在电芯间加入了水冷散热鳍片，模块化设计使得可以灵活配置电池组的外形与容量。
作为一名工程师，在我看来，特斯拉的电池管理水平已不低，但在通用这种“老司机”炫技一般的水平看来，还是略显稚嫩。不仅特斯拉，丰田在电池管理技术上的投入也较少。锂离子电池派与镍氢电池派在电池管理水平上的差距，重要是由于丰田认为电池处于辅助地位，自然投入的研发成本较低，以投入性价比为主；而通用则认为电池是动力系统的半壁江山，对电池及其管理技术进行了深入研究。
不了解为何，看到通用的双行星齿排系统与电池管理系统，令人眼花缭乱，让人感叹鬼斧神工，这总是让我想到另外两个工程师向往的公司：摩托罗拉与索尼。不管怎么说吧，这技术水平是杠杠的。
层状锂离子电池vs圆柱形锂离子电池
这两三年来，经常有人问，特斯拉的电池管理算法太厉害了，可以使电动汽车跑400公里，而一般的电动汽车跑一两百公里就不行了啊，那他们的电池管理算法究竟是怎么厉害的啊？
首先，必须承认把几千节电池组成电池包来用，确实挺牛的，但是特斯拉跑得远真的和电池管理算法关系不大，重要是电池塞得多……而这样的回答，一般都不能让提问者信服，这不得不说是特斯拉营销的成功，让普罗大众相信“算法是可以发电的”。
圆柱形电池与层状电池相比，缺点是非常明显的：
a)体积利用率：
圆柱形电池在成组时必然会比层状电池占用更大的空间，从而影响车内总体空间。
b)热管理难度：
层状电池的接触面积较大，更加有利于散热和电池单体之间的热平衡，BOLT的电池包可以控制单体温差在2度之内，对电池的一致性和耐久性有很好的提高。
c)一致性与可靠性：
特斯拉ModelS一共有7000多个单体，而VOLT上只用了288个，单体太多导致的失效新增以及一致性问题，可能会随着时间的推移而慢慢显现出来
事实上，特斯拉之所以使用18650电池，更多出于价格和商务而不是技术上的考虑，当时松下急于寻找合作伙伴，因此报出了低于成本的价格。而GM的全球供应商体系较为完善，话语权也较多，因此有较大的空间去选择技术上更先进的供应商。
电池路线之争的核心问题：电池安全
@叶磊Ray在他的回答《为何说特斯拉的核心优势是电池管理软件算法？》中也提到：“德国汽车公司拿他们的技术标准去套Tesla的产品，无论是设计选型还是制造工艺根本就不成熟”。
这里就要特别提到电池路线之争的核心问题：电池安全问题。别看电动汽车发展得如火如荼，在量起来后频发的着火爆炸事故有可能使这个行业倒掉；别看特斯拉如日中天，假如集中爆发安全问题引起集中召回与赔偿，公司也很难撑往住。
简而言之，安全问题就是汽车公司的黑天鹅。忽视安全问题，也许像是挣脱了枷锁，可以发展得更快，但也面对着发展道路戛然而止的风险(也可能风险未爆发，从而取得先机，这叫“机会主义路线”)。而特斯拉在这方面，不得不说是有点冒进的：
特斯拉的BMS左右两个接插件都不是汽车级的，中间的两个插排更像是调试接口，而不是产品，这种接口在IT上经常使用，但是能否适应车辆的恶劣环境还待考证。
通用VOLT上用的BMS电路板出布局非常工整，使用的接插件都是汽车级接插件，完全可以满足车辆使用和运输过程中震动、温度、腐蚀等苛刻环境。
使用的芯片方面，特斯拉的IT基因促使他们使用了一些IT行业的芯片，比如DSP、ARM、FPGA等。而通用则完全使用传统的汽车级芯片，单片机一般都是飞思卡尔，硬件设计满足ISO26262的ASILC等级。
在高压安全方面，通用的方法是使用MSD（ManualServiceDisconnect），就是下图这个黄色的接头，这个黄色接头可以从物理上断开电池包和外界的高压，保证维修人员的安全。所有和高压安全相关的信号，都采用了双路备份处理，甚至专门为了电池管理系统设计了双路CAN总线的冗余备份，确保高压安全万无一失。
而特斯拉则为了节约成本，省去了这个零件，而是依靠高压继电器来进行断开。这种方法，当高压继电器发生粘连故障时，无法断开，有安全方面的风险。不过考虑到特斯拉的产量一个月也就几千台，量产时间也不长，出现问题的概率也不大。而假如量上来了，那可能会遇到问题。
当然，马斯克能把火箭发上天再收回来，他对安全性、可靠性的理解也不会差。而上述的特斯拉的安全性、可靠性问题，可能只是他的一种发展策略——既然现在只能卖几千的量，那就按照几千的量来设计安全性；当我能卖几十万辆的时候，自然会按照几十万的量来设计安全性。假如真是如此，不得不说，特斯拉还是比传统车企要灵活得多；假如不是这样，那很可能在量上来后要出问题。
在电池技术方面，包括通用在内的德美日大型传统车企，作为年销量数百万的百年老店，更加重视产品的可靠性、一致性以及耐久性。而特斯拉作为带有IT基因的新兴公司，将注意力更多放在用户体验上，其产品也未经过大量、长时间的验证。
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