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欧洲杯纯电动汽车为什么大多数都用铅酸电池不



  电动自行车属于低速车,乃中国首创,其保有量已接近 3 亿辆,年产值超过千亿元,创下“世界第一”。虽然以锂电电动自行车为代表的凤凰高端产品最近开始走俏欧洲,但这种低速电动车绝大多数还都用铅酸电池。为什么不用重量更轻、体积更小的锂电池呢?

  特斯拉当然不是低速电动车,除了安装在前后轴之间底盘位置重达 900 公斤的“压舱石”动力电池组,还有一块人们几乎看不到的 12V 铅酸蓄电池。其实,混合动力或插电混合动力车也仍然在用燃油车相同的铅酸蓄电池供电,不管是什么车,如果长久放置蓄电池严重亏电,车辆依然打不着火。

  看来这古老的铅酸电池还是不可或缺!其实,马斯克早就想替掉它……今天就聊聊为什么一百多年历史的铅酸电池还在搭载新一代电动汽车?有没有一种有效的替代方案?

  1860 年,法国人普兰特(G.Plante)发明了铅酸蓄电池。直到 13 年后直流发电机问世,铅酸蓄电池才逐步走向实用化。1910 年起,汽车蓄电池开始用于启动、照明、点火,使铅酸蓄电池生产得以发展;电话业也开始采用铅酸蓄电池作为安全、可靠并能使用多年的备用电源。直到今天,铅酸蓄电池都广泛用于汽车、摩托车、铁道、矿山、通信等领域。

  铅酸电池没有被锂电池替代的原因在于:锂电池制造复杂,成本是铅酸电池的两三倍,出厂价格更贵;铅酸电池技术更加成熟,稳定性更好。

  那为什么根本不差钱的特斯拉也在使用铅酸蓄电池呢?以 Model X 为例,看看这个与传统燃油车一样的 12V 铅酸电池。

  用户手册所见,Model X 也会出现蓄电池故障无法启动的情况。这不一定是锂电池组的问题,而只是蓄电池没电了。

  蓄电池没电→无法打开门 / 机舱盖 / 充电盖→无法搭电→无法启动车辆;使用 APP/ 钥匙也是这样,无法进入车内……就没有一个物理解锁方法,让车主进入车内?在网上搜索“特斯拉没电怎么开门?”好奇怪!所有网页都一样——404!

  不过,还是找到了一篇文章,介绍了一种用于救援的方法:将牵引钩孔里两根线拉一下,机舱盖就会打开(盗窃风险),车也会响起警报。打开后给蓄电池充点电或搭电,门就能打开了。至于老款车型,老司机说,欧洲杯,要打开整个黑色中网,才能看见能打开前备箱的“机关”。

  看来,要想通过搭电方法启动 Model X 还真不太容易。这里,假设可以打开机舱盖,之后看到的是储物用的前备箱(其他纯电动车都没有,褒贬不一),拆卸其上面的盖板,才能看到位于制动液补液口下方的蓄电池及正负极接线柱。看上去,在 Model X 中,蓄电池的作用和燃油车别无二致。

  铅酸电池是弱电电池,正常情况下是由锂电池充电的,主要是在发动机(燃油车)或动力电池没有供电之前,为车载电子设备的正常使用提供电力,例如遥控钥匙识别、车辆解锁及仪表大屏显示等,和普通燃油车电池供电原理一样。正常情况下,动力电池和 12V 蓄电池相连,如果蓄电池亏电,动力电池可以为它充电。

  也就是说,高压动力电池一定要有一个低压电源来配合。经验告诉我们,当你开着收音机发动汽车时,在发动机点火瞬间,收音机都会断一下,灯光也是这样。说明什么?自己琢磨一下。

  那为什么这个小电源一定是 12V 铅酸电池,而不是 12V 锂电池呢?除了上面说的便宜,还有以下原因:

  其缺点是形状体积和重量比锂电池大,不过一辆车只需要一块蓄电池,并不像动力锂电池那么多。

  为了提高燃油效率,减少对石油的依赖,汽车行业面临着越来越大的压力,电气化是一个必然趋势。其前提是解决方案必须能够满足对高性能、可靠性和安全性的严格要求。

  有一种技术既可以提供高功率密度、安全性和使用寿命,又可以像铅酸电池那样稳定可靠。它就是超级电容器(又名双电层电容器),它已为今天的混合动力和电动汽车的发展做好了准备。超级电容器可以与电池并联,利用能量密度和功率密度的优势,创建一个更高效、更稳健的完整电气系统。

  先来看超级电容器不如锂电池的地方:锂电池和超级电容器好比马拉松选手和短跑运动员,在长距离行驶时前者可以提供较长时间稳定的放电;后者则没有那么大耐力,只能在短时间释放大量能量。

  作为备用电源,超级电容器的优点是:安全可靠,无烟、无火焰,终身免维护,而且无需过大尺寸,不必为了像蓄电池那样留有更换空间。

  ·12V 启停应用:蓄电池退化可造成发动机启动不顺畅;较高 ESR(等效串联电阻)会降低蓄电池寿命;频繁的启 - 停循环会降低电池性能;低温也会限制其功能。

  在发动机启动时,需要提供瞬间大电流,我们把超级电容器安装在蓄电池和起动机之间,这意味着蓄电池与起动机断开。作为发动机启动模块的超级电容器始终为发动机提供启动动力,而电池只需为灯光、空调、暖风等提供能量。超级电容器具有最低 ESR 和业界最高的功率密度,可确保更长的使用寿命,适合快速起动,具有 -40 至+65℃的全功率性能,更适合这种“一锤子”场景。

  铅酸电池的质量能量为 32-37Wh/kg,美国标准为 41Wh/kg;而目前已接近量产的第三代超级电容器已大于 60Wh/kg,适用于燃油车和 xEV 平台使用。

  ·电动助力转向系统(EPS)和电子制动(EBS):镍氢、锂离子电池在“正常状态”下没有可用于可靠表征的操作信号,因此难以确定 SOH(健康状况)和 SOF(功能状态)。而超级电容器适合作为辅助能源使用。

  ·再生制动能量吸收(ESP):快速放电并不是超级电容器带来的唯一优势,它也可以更快地(15 秒内)充电,是可靠性最高的技术。目前的解决方案采用液压或电池吸收再生能量,因为是零星作业,平均电力需求大于峰值 1kW 和大于 300W,且需要快速充放电循环,容易出现再生能量无法吸收,造成瞬变的情况。超级电容器的低电阻可以确保操作过程中的低自加热,提高可靠性。

  ·电催化剂加热:目前的解决方案是利用三元催化转化器燃烧燃料的办法来加热废气,30 秒平均需要 3kW 功率,每 KL15(发动机点火信号)循环激活一次,在凉车情况下,电池无法满足性能要求。超级电容器具有优良的低温功率性能,非常适合这种场景。

  ·制动能量再生(BERS):铅酸蓄电池(EFB 或 AGM 型,材料不同)的快速充放电循环需要大于 3kW 峰值和大于 200W 平均功率。因为安装在发动机舱内,电池寿命一般情况下不超过两年;在较低温度下,电池充电接受能力差,且尺寸过大。超级电容器在较低温度下具有优异的功率性能和充电接受能力,不受充电吞吐量影响,免维护,更适合这一场景。

  电动汽车需要有储存电能的装置,电池和超级电容器都有此功能。电池充电相对缓慢,放电也缓慢。超级电容器充电快,放电也快。电池能够储存大量能量,超级电容器是少量储能的最佳选择。归根结底,电池在某些方面比超级电容器做得更好,而超级电容器在某些方面优于电池。

  未来几年,超级电容器可能会取代目前所有电动汽车使用的铅酸电池,用于储存日常功能(操作门锁、提供内部照明等)所需的电力。他们还有助于电动汽车 OEM 用来做最擅长的事情——快速充放电,同时让主动力电池(锂电池)做它最擅长的事情——让汽车在路上行驶得更远。

  彭博新能源财经(Bloomberg New energy Finance)储能分析师 James Frith 表示:“多年来,人们对超级电容器产生了很大兴趣,问题是锂电池的价格下降得很快,不过,汽车市场肯定有很多领域可以找到后者的应用。”他暗示,马斯克也钟爱超级电容器,特斯拉自主研发的新电池将是干电池技术+超级电容组合,如果在其产品中采用,那么超级电容器肯定会成为未来电动运输领域的一部分,在这一领域,几乎每天都有改进。

  据报道,Skeleton Technologies 一直在努力研发能够取代传统汽车铅酸电池的先进超级电容器。首席执行官 Taavi Madiberk 承认,超级电容器还没有锂电池那样的能量密度,但他认为这项技术一直在进步。目前,其产品能量密度已达每升 60Wh/L。他说:“我们已经在与几家汽车 OEM 进行讨论,他们都希望摆脱汽车中笨重的铅酸电池。”

  “有时人们认为铅是一个过去的问题,因为它与内燃机有关,但实际上所有电动汽车都有 12V 铅酸电池,”他说。“我们正在研究一种可行的替代方案来取代所有的铅酸电池。”

  据介绍,1999 年,锂电池每千瓦时的价格约为 5000 美元,如今已不到 200 美元;而特斯拉现在的电池价格可能在 100 美元以下。超级电容器的成本也将经历类似的快速下降。

  据 TechExplorist 报道,伦敦大学学院和中国科学院的科学家已开发出一种新型柔性石墨烯超级电容器,可以安全地高速充电,积累创纪录的能量,并能长期储存。

  新的超级电容器使用了一种创新的多层石墨烯电极,可以弯曲 180 度而不失去性能,且不需要液体电解质,从而将爆炸风险降至最低。研究小组开发的原型电池能量密度为每升 88.1Wh/L。此外,科学家们声称,他们的发明功率密度为每升 10000W,在 5000 次充放电循环后仍能保持 98.7%的容量。

  伦敦大学学院数学与物理科学系主任兼化学系教授 Ivan Parkin 表示:“在一个紧凑系统中安全地存储大量能量,是改进能量存储技术迈出的重要一步。新的超级电容器充电快,能够控制其能量输入,还具备良好的耐用性和灵活性,是搭载微型化电子产品和电动汽车的理想选择。想象一下,只需 10 分钟就可以为电动汽车充满电是什么样的体验。”

  Ivan Parkin 介绍,这种新的电容比铅酸电池轻得多,体积也小得多,可以取代目前所有电动汽车使用的 12V 标准电池。

  当然,这个新的超级电容器只是一个原型,是否商业上可行还有待验证。如果可行,可能要过几年才能被汽车 OEM 接受。不过,随着电动汽车革命的继续,这是一个值得关注的点。

  汽车是一个恶劣环境,包括极宽温度范围、机械振动、噪声、气体污染,以及瞬变电压、大电流等的潜在风险。而这些正是影响现代汽车功能稳定性、可靠性和驾驶体验的重要因素。据说,欧洲航天局(ESA)已在恶劣的太空环境中进行了超级电容器测试,相信它比汽车的环境更加严苛。

  再看看超级电容器对汽车意味着什么?可靠起动、降低油耗(或主电池功耗)、延长电池寿命、无障碍一次性投资、体积小、重量轻、易于安装。而这些似乎已经足够了!