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汽车的新能源之变,不仅在一块电池

igoseo.net   2021年10月13日

  前些日子,东三省拉闸限电,电力供应问题严峻。无论是因为火电的燃料——煤炭能源的短缺,还是因为“双碳”与能耗双控的强制约束,在现实层面都无不反映出能源危机情况愈发严峻,清洁能源,绿色能源,可持续发展是全球所有国家未来能源发展的宗旨。

  在交通出行领域,电动车的全生命周期计算中,电动车也比燃油车更低碳,发展电动汽车是实现碳减排的重要措施,由此全球汽车市场进入产业转型升级的调整期。

  “全面新能源倒计时”已经启动,近日奥迪宣布2026年停售燃油车,此后所有车型都会改为电动车;大众随后也表示计划在2035年之前停止在欧洲销售燃油车。除了汽车厂商纷纷宣言,也有许多国家开始考虑禁售传统燃油车,并且公布了明确的时间表,荷兰,德国,印度等计划在2030年,英国,法国计划在2040年停售燃油车;而中国台湾和海南分别表示在2040年和2030 年停售燃油车。汽车的电动化趋势进程加速,电动车对于传统燃油车来说,不只是停留在过去的竞争,而是逐渐进入到被淘汰的局面。

  曾几何时,续航与电池安全的限制是人们避开选择电动汽车的主要理由,现在是大型真香现场,燃油车未来的倒戈,蔚来汽车,智己汽车,广汽埃安相继宣布将推出1000公里续航电动车,而在2017年的时候电动车的续航里程还在300公里左右晃荡。性能与续航给电动车带来质与销量的飞跃,但我们的目光一直都只聚焦在电池性能的分析与加持上,忽略了电动车其他系统带来质的变化。而这些变化和动力电池的整合才带来了电动车的繁荣,这些被忽略的就是今天主要想谈论的。

  双管齐下:驱动与控制方式的变革

  骏马在草原的飞速奔驰源于强健有力的四蹄,脚踩油门发动机的轰鸣是化石燃料带来的飞驰力量,电动汽车则是将电池包中的电能充分发挥变为漫漫长路的续航里程。

  从能源的角度来看,动力装置的作用是其他形式的能量转化为机械能,例如发动机就是把储存在油箱里的汽油送到汽缸中燃烧,并把燃烧产生的热能转化为机械能。而电动汽车是把储存在电池包里的电能送到电动机,并把电能转化为机械能。

  与传统燃油车相比,电动汽车最大的变化就是其驱动方式和控制系统的改变,由于电动汽车并不使用发动机,而是使用电机来进行驱动,而电控系统作为变速箱功能的替代,所以发动机舱内部减少了很多的部件,其中包括发动机,变速箱,进排气,传动链等配置,内部空间变得更大,而这样的结构改变带来了巨大的变化:

  1.能源效率的质变,传统燃油车的发动机驱动模式能耗燃烧效率为30%,浪费的能量大部分转化为热能耗散了,而电动汽车的电机驱动能量转化效率在90%左右,两者几乎三倍的差距,同时控制系统也可对能量进行重新回收与分配。

  2.性能的提升,发动机与电动机的转矩特性完全不同,电动机可以从零瞬时加速到最大转矩,而燃油车发动机还需要依靠变速箱一节节升档提速,同时电控系统可应对多种复杂工况,可满足频繁起停,加减速,低速/爬坡时要求高低转矩的转换,据悉,蔚来的电动超跑车百公里加速时间仅为2.7s。

  3.车损维护的便利,发动机的机械结构多元且复杂,牵一发而动全身,每个环节出现故障需要整车去维修,电动汽车舍弃的发动机系统让结构变得简单,维修也变得容易,减少了很多的维修项目。

  4.体验的升级,少了内燃机的轰鸣声,驱动方式的变革使得电动车的整车简洁并且噪音低安静。

  电动汽车在电驱系统和电控系统的加持下,给汽车整车带来较大性能与体验的变革,但国内在电机,电控领域的自主化程度仍远落后于电池进化的进度,部分电机电控核心组件如IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力,具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业也是少数。电机,电控的技术和制造水平直接影响整车的成本与性能,而可靠性,安全性,和高集成是电机系统与电控系统未来发展的一致目标,集成度高结构紧凑,重量减轻,无论是工艺的改变还是技术的革新,都对车辆的高可控精度与动态响应速率提出了高要求。

  当然对于电动汽车来说,可靠与安全是永恒的话题,电动汽车在安全系统方面也有新的变化。

  金钟罩:保障安全的升级

  我们知道,电动汽车的安全威胁不仅仅是存在于xpj化后的算法与功能设计的缺陷可能带来的风险,人们害怕电动汽车的事故最重要的原因之一是电池爆燃带来的威胁和伤害太严重。比如车辆在静态情形下,由于电池系统管理不完善,通讯不兼容,与充电设备通讯障碍导致的电池过充,短路,漏液等问题不能提前监控,报警,从而引起热失控,自燃,起火,这类情形需要通过电池管理系统(BMS)实现对电池安全的管理。电池管理系统是通过CAN通讯协议,实时双ECU多层级监控,使得充电设备与电池管理系统之间的通讯顺畅和协调,确保电池的安全。

  充电过程中,电芯,BMS,传感器,三个环节配合不好,自燃就有可能发生。而对于动态的电池充放电的温度变化,首先电池本身的pack设计很重要,需要保证电池散热和可靠性,其次电动汽车的电池包恒温热管理技术,将电芯温度更加稳定地控制在高效,安全的温度区间。

  恒温热管理技术在每个电芯模组内布置两个温度传感器,精确监测每个模组内部电芯温度,并通过BMS和BTMS精确管理所有电芯,将电芯温差控制在±2℃,确保电芯温度均匀性。其应急防爆泄压设计,一旦出现问题将强制启动液冷装置,对问题电池进行热失控管理,将电池置于安全的金钟罩中。

  电池管理系统(BMS)在这个电池安全系统中充当了大脑的角色,实时估测电池的荷电状态,检测使用状态,对电池进行直接管控。对于大脑来说反馈的信息越多,决策也就越准确,这就对传感器提出了要求:不仅数量合适,精度也要高,这样反馈的数据越全面,BMS对电池的判断则会越准确。

  当然有子系统对电池的直接安全管理,也会有整车控制器从整车的角度检测,并对可能出现的危险进行及时处理以保证安全,比如增加了对强电环节的高压电安全保护措施。安全总是需要有冗余考虑的,热失控下的应对方法多种多样,汽车厂商为了做到热失控管理也计划从牺牲电池的能量密度和成本考虑,未来将内置灭火装置,防爆阀,气凝胶等新型方式都用上。

  电动车的安全系统有BMS与整车控制器的金钟罩保护,补能方式也是区别燃油车且又最需要关注的地方,没有能源的补给,电动车趴窝跟个巨型的玩具车没什么两样。

  两种补能模式:

  充电桩与换电站的协同

  充电桩与换电站是电动车的生命能源,是整个电动汽车产业的基础保障与关键环节,其也在去年被纳入到新基建的内容中。近几年我们在一座座化石燃料加油站旁边,看到越来越多的充电桩与换电站冒头。

  在2011年的早期起步阶段,主要的补能模式是以掌握核心资源的大型国有企业决定,国家电网和南方电网等提出推行“换电池”为主的发展模式。国电电网确定了“换电为主,插充为辅,集中充电,统一配送”的运营模式。但早期的换电模式并不成功:

  1.换电站的建设费用高昂,十年前电动汽车的数量相对来说数量太少,而为这些数量较少的汽车建立充电桩换电站成本太高,成本无法摊薄。

  2.换电站兼容性较差,早期的市场行业内没有通用的标准可以统一,同品牌不同型号的车辆电池型号不同,跨车型共享难。

  3.运营困难,国企以及车企等也没有整合资源,发展得并不理想。

  充电模式在这个背景下开始崛起。据悉截至今年4月,全国充电基础设施累计数量为182.7万台,同比增加42.0%。公共充电基础设施累计数量86.8万台,同比上涨58.8%。随车配建充电设施新增95.9万台,同比上升29.6%。

  目前国内车桩比已经达到了3:1,而根据工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》征求意见稿,预计到2030年,我国新能源汽车保有量将达6420万辆。按照车桩比1:1的建设目标来计算,未来十年我国充电桩建设将存在千万级的缺口,显然,充换电基础设施建设也将成为重中之重。

  特斯拉作为主流市场销量最高的电动车厂商,走快充路线,并且坚持独立建站不与传统化石燃料如中石化中石油等合作建站,目前在中国已经建立安装了6000座超级充电站,而在全球已经安装了25000座超级充电站。

  市场快充桩纷纷冒头崛起,换电方面,车电在数10秒就可完成分离换电,速度进化得非常快,无论是充电,换电模式还是两者的协同运行方式,都给行业创造了多种新兴的补能方式,传统的化石燃料补给的局面也被打破,十几年前谁能想到独占鳌头的中石化中石油这些行业扛把子,会有市场被第三方挤占的一天?虽然现在只是撕开了小口子,但是在“双碳”达标,禁售燃油车的未来背景下,化石燃料这种补能方式也终将成为时代车轮下的砂砾,随风消散。

  远瞻充换电技术的未来,也向着高压大功率快充,无线充,V2G技术储电等方向发展:

  1.高压大功率快充技术是未来充电技术的发展方向,现在技术的限制下,大功率快充带来的安全隐患和损伤电池方面还有待技术攻克。

  2.无线充电技术,因为成本高以及高强度的电磁辐射,暂时商业化挑战较大,未来成本的变化和规模的使用有望改变局面。

  3.V2G技术,即电动汽车的电输送给电网的技术,电动车充当可再生资源和电网之间的缓冲储能器,可减缓电网压力,节省充电成本,构建xpj化充电网络,形成车网协同生态。

  4.超级充电标准,换电技术标准的统一,超级充电标准是面向下一代全球统一的充电接口技术,这也是大功率快充技术的基础;换电站将采用模块化设计,将技术产业化和标准化,兼容多车型,统一电池包实现换电站共享化。

  电动车的飞速发展带来这些新的技术革新也好,可持续的模式更迭也罢,都给整个交通出行领域带来了一些创新和市场机遇,带动了整个行业向着清洁化,绿色型,共享化的方向发展。

  时代的能源需求,进阶与国家的政策支持都让这个行业如满电般的高效运转,电动汽车的背后有无数个心愿一致的诉求——绿色可持续的发展。达尔文曾在《物种起源》中详细介绍了人类的进化,他的“进化论”是生物依据大环境背景的改变从而做出升级来适应环境,这是一个漫长且艰辛的过程。

  当预测到发展模式让环境变得越来越不可控,极端气候,能源危机等带来的侵害愈加广泛时,适应环境变化已经行不通,必须要主动地去改善环境,人类不可持续的能源行为,活动都需要改头换面,出行领域从制造到运行再到回收整个生命流程都在整改的范围内,无可避免的艰辛过程才能孕育出绿色可持续发展的果实,正是改变的因与执行的果之间螺旋缠绕向深飞跃,才能给后至的生灵带来生生不息。

  文章来源:燕良 脑极体

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