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都2019了还在追求能量密度？安全可靠才是最好的做法
2019-04-28 23:22:36· 来源：电动邦
3月下旬，财政部等四部委联合发布了新能源汽车的补贴政策，万众期待的2019补贴新政就此翩然而至。在今年的补贴规则中，能量密度依然是衡量补贴金额的三大维度之
3月下旬，财政部等四部委联合发布了新能源汽车的补贴政策，万众期待的2019补贴新政就此翩然而至。在今年的补贴规则中，能量密度依然是衡量补贴金额的三大维度之一（另外两个是续航和电耗）。
但不难看出，今年国家给予它的权重显然低了一些——数值160瓦时/公斤即成为最高档，而且今年对能量密度也没有任何系数加权（去年最高系数为1.1，今年最高为1）。这里到底有什么门道呢？今天我们就来重新聊下能量密度这个话题。
能量密度非万能药，弊端客观存在
生活中有太多情况需要让我们面临“鱼和熊掌不可兼得”的选择，对于电池技术和能量密度来说恰恰也蕴含着同样的关系。
首先，业内针对动力电池常说的能量密度，主要指的是“质量能量密度”，讲的是同等质量下电池组储存的总电量有多大。对于动力电池来说，它固然是重要指标，但却不是唯一重要的那个。
除它之外，衡量电池性能的主要指标至少还有：功率密度、循环寿命、倍率性能（充放电）、稳定性、一致性等等。这些指标相互依存且对立，基本是此消彼长的关系，其实归结起来就是能量、功率、安全、寿命和成本之间的经典矛盾。
▲围绕电池综合性能的5大关键维度。
单就能量密度而言，它存在两对最大的矛盾，它们是：
1. 电池能量密度和整车安全性的矛盾；
2. 电池能量密度和功率性能的矛盾；
怎么理解呢？咱们分别聊一下：
A． 和安全性的矛盾：我搬砖就没法抱你，放下砖就没法养你
锂电池的性能主要取决于参与电极反应的活性物质，目前锂离子电池能量提升的内在途径主要有两方面：
1. 通过高比能的材料组合来实现（比如网红高镍电池NCM811），以此来提升离子活性，但活性越高又意味着电池的化学稳定性越低，容易发生热失控，降低电池的安全性。
2. 通过结构设计、集成技术来实现，也就是进一步提升轻量化程度、提高组件集成度和增大单体电池尺寸。但如果过多牺牲必要结构件，比如碰撞保护结构和温控系统，无疑也对整车安全性存在影响。
也就是说，对电芯而言，能量密度上升的同时，电池稳定性会有相应下降，对BMS电控及电池热管理的要求就更高。提升成组电池密度的时候，也不能以降低整体安全性为代价。
▲近期大热的特斯拉燃爆事件，才让人们开始意识到电动汽车的安全性有多重要。
B. 和功率性能的矛盾：练长跑的运动员跑不了短跑
功率性能的主要指标是功率密度，衡量的是同质量或体积下的最大输出功率。通俗点说，能量密度表达了电池的容量大小（单位：瓦时/公斤）；功率密度则表达了电池的瞬时动态特性、扭矩优劣（单位：瓦/公斤）。
理论上，能量密度和功率密度本来是没有必然关系的。但在目前阶段锂电池技术体系下这点却是相互矛盾的：为提高能量密度我们需要提高活性物质的比例，比如提高电极的涂布量，这就导致了功率性能的下降，而为了提升功率密度又需要降低涂布量，增加导电液的比重。
因此如何能在两者之间达到一个平衡就变得非常困难。这也是为何动力电池可分为功率型电池和能量型电池。
也就是说，量密度上升的同时，功率性能会下降。
能量密度不应成为追逐的核心指标
此前在国家政策的引导下，国内车企和车型把冲刺续航和能量密度捆绑在了一起。动力电池发展有非常清晰的目标路线图，按照国家动力电池技术路线图的规划，2020年，电池单体比能量达到350瓦时/公斤，系统比能量达到250瓦时/公斤，从目前的动力电池技术发展来看，第一点已经很难，第二点更是激进了一些。
▲国家关于动力电池能量密度和成本的规划目标。
根据某电动汽车研究机构不完全统计，2017年和2018年，国内电动汽车发生的安全事故分别为14起和34起。国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子东在今年年初曾说“目前很多起电动车起火事故都没有找到确凿的原因” 。虽然不能说安全事故一定就和技术指标超速发展有直接关系，但至少算为我们敲响了警钟。
所以高能量密度电池一定是基于安全可靠、寿命可期、产品一致性有益为前提的。无条件无前提的追逐能量密度，可能损失更多。当然，安全是其中最不容易量化的维度。要通过整个系统去优化，才能把电池的能量、功率、安全性、寿命、成本等平衡到最优。
最好的做法，是安全可靠排第一
兼顾续航、性能和寿命
我们直接来看看对安全、可靠性要求更高的成熟国际化品牌是怎么做的吧——以德系豪华三强中的科技代表奥迪为例——首款纯电动SUV 奥迪e-tron，其百公里加速为5.7秒，NEDC续航超500公里，电池容量也高达95度，唯独能量密度不算突出，仅为135.7瓦时/公斤。单看这个数据，即使以2018年的国家标准来看也不算高，难道奥迪不知道高能量密度和高续航的关系吗？
当然不是，奥迪只是找到了一整套自己的解决方案，针对电池，它的具体做法是这样的：
1. 加强度极高的壳体结构——这是完全由奥迪自己开发制造，并经过足够的碰撞测试验证后，最终选择的方案。
上图右上角的铝框架防撞结构算是e-tron电池组的重要特色，碰撞时框架可以分散能量，起到保护作用，电池模组则在其框架内横向布置。电池组的外框架有47%的挤压铝型材料，36%的铝板和17%压铸铝部件组成的。整个电池组重量约700公斤。从95千瓦时的电量来看，因为大量采用铝制部件，并且加强度非常高，所以整个电池组的重量其实控制的还算OK。但正是由于内部防撞结构占据了不少空间，导致能装入的模组及电池数量受限，所以能量密度并不高。
▲内侧的横向、纵向防撞结构可以有效分散和疏导撞击力
▲最终出来的电池组成品长这样
▲电池组外框架（防撞梁）也采用了中空结构，减重和吸能兼顾。
2. 精心设计的电池热管理系统——为了让电池保持在一个合适的温度范围内（奥迪的设定是25-35摄氏度），奥迪为电池组准备了风冷与液冷两种不同的冷却方式，根据使用情况的不同，会采用不同的冷却循环。
交流充电时，外部电源通过高压充电器与电池相连，在这里高压充电器是主要热量来源，因而奥迪为充电器配备了水冷系统。
直流充电时外部电源直接与电池相连，因而此时电池是需要降温的主要对象。奥迪没有选择将冷却管道设置在电池模组之间，而是将冷却管道平铺在电池模块下方（有微通道），通过填缝剂、导热凝胶等来帮助电池散热。
这么做，一来可以让电池模组排列更紧凑，二来在模组之间就可以设置铝合金框架，能够在发生碰撞时引导碰撞能力，减少对电池带来的损害。这里也可以看出，在保证高效能温控的前提下，安全是优先考虑，尽管可能带来更多成本和能量密度的损失。
而在车辆运行状态时，电池管理控制单元会根据电池的当前温度情况，选择使用风冷或者冷却装置来进行冷却，相当于电池系统整车有4条冷却回路，可根据需要进行切换，分别是压缩机、低温冷却器等组成的回路、集成热泵系统、高压充电装置水冷回路，也同时兼顾了效能。
最后，奥迪对电芯是怎么考虑的呢？
3. 采用更“适合”的软包电芯，而非密度更大但更危险的圆柱电芯——来自于软包技术领先的的LG 化学欧洲工厂，电芯及模组均由其提供（36个模组，432个电芯），单体能量密度数据不详，但邦老师评估应该不会低。而圆柱电芯密度虽高，但一致性相对难以控制，软包电芯因其内阻小、重量轻、密度高、形状可塑性强的优点（虽然成本还要更高），更受奥迪、奔驰、日产等国际大品牌的青睐。
▲奥迪的软包电芯模组，每个模组由12个60安时的电芯组成。
综上可见，奥迪e-tron的电池组在几个重要方面也算做得面面俱到了，包括在安全的前提下力求最大化利用空间，比起一味地追求很高的能量密度，奥迪选择更能同时兼顾续航、安全、寿命、加速性能的方案。
对能量密度的追逐暂时可以缓缓了
相比于续航和安全方面
在整个2018年，大家还都认为能量密度是个非常核心的参数，对各类车型数据追得不亦乐乎。邦老师也明白，这个指标无疑是提高整车续航和能效的关键指标，但这应该仅限于生产者们的角度。对于广大消费者来说，它只不过是目标实现过程中的一个参考值而已。与其关心这个数值，还不如关心关心你车辆的电耗。在这点上，今年补贴政策的调整邦老师是非常支持的。
随着主流家用车锁定了400公里+的续航，部分高端车型进入500公里区间，续航焦虑正开始逐渐消除，也该进入全方位发展的阶段了。而在国外，类似奥迪等车企的做法，反倒一直秉持一种很负责任的态度，续航和性能固然重要，但是对于安全和可靠的保证，包括研发阶段足够的技术及产品验证，任何时候都值得给予更大的投入和耐心。
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