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混合動力汽車需要什么樣的電池

作者:馬鑫 張雅慧 來源:中國汽車報 發(fā)布時間:2022-02-16 瀏覽:

中國儲能網(wǎng)訊:前不久,中國汽車工程學(xué)會通過線上直播的方式召開“節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖系列年度研究成果發(fā)布會”,提出了2021年節(jié)能與新能源汽車技術(shù)的九大動向,其中“集成混動專用發(fā)動機、機電耦合系統(tǒng)、大功率電機等專用部件的重度混動系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)油耗降到4L/100km以下”引發(fā)關(guān)注。

自《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》2020年發(fā)布以來,行業(yè)發(fā)展混動技術(shù)的熱情在極短的時間內(nèi)被再度點燃,及至2021年年底,幾乎所有主流自主品牌車企都推出了自家的混動系統(tǒng)架構(gòu)。而隨著市場的發(fā)展,對混動系統(tǒng)專用部件的需求也成為題中應(yīng)有之義。具體到電池上,混動汽車究竟需要什么類型的電池,又是什么因素決定著市場的選擇?這些問題少有人談及,但卻很有必要深入探討。

01

混動汽車

平臺化成為趨勢

混動熱潮席卷而來,多家企業(yè)都推出了自己的技術(shù)和產(chǎn)品方案,但“混動”這一個語義包含了太多內(nèi)容,不僅普通消費者容易一頭霧水,即便業(yè)內(nèi)人士想要在某一語境下厘清所指恐怕也需費一番工夫。目前來看,插電式混合動力汽車(PHEV)歸入了新能源汽車序列,而混合動力汽車(HEV)則屬于節(jié)能汽車的范疇。

圖片

根據(jù)工信部2020年6月發(fā)布的《關(guān)于修改〈乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法〉的決定》,插混汽車可以獲得1.6個新能源汽車積分;而混動汽車(HEV)則歸入“低油耗乘用車”;同時,“2021年度、2022年度、2023年度,低油耗乘用車的生產(chǎn)量或進口量分別按照其數(shù)量的0.5倍、0.3倍、0.2倍計算”的規(guī)定也堅定了企業(yè)發(fā)展混動技術(shù)的決心。

從市場反饋情況來看,比如2021年12月,根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計,當(dāng)月純電動汽車產(chǎn)銷量分別為43.4萬輛、44.8萬輛,同比均增長1.1倍;插混汽車產(chǎn)銷量分別為8.4萬輛和8.2萬輛,同比增長1.6倍、1.2倍,其中,比亞迪、理想汽車、上汽大眾、寶馬、上汽乘用車是主要的市場參與者。另據(jù)相關(guān)機構(gòu)的統(tǒng)計,2021年上半年,我國混動乘用車(HEV)銷量合計約為24.7萬輛,同比增長72%,代表企業(yè)以本田系、豐田系為主,自主品牌車企暫未取得較大突破。

在行業(yè)政策及市場發(fā)展的背景下,大部分自主品牌車企推出的混動系統(tǒng)架構(gòu),都從整車開發(fā)設(shè)計的一致性,以及市場營銷等不同角度出發(fā),將目標(biāo)定位在實現(xiàn)包含混動(HEV)和插混的“大一統(tǒng)”混動技術(shù)發(fā)展上。

以長城汽車檸檬混動DHT為例,據(jù)官方介紹,該系統(tǒng)集成了1.5L/1.5T混動專用發(fā)動機、發(fā)電/驅(qū)動雙電機、定軸式變速器、雙電機控制器、集成DC/DC。“由于混動(HEV)和插混系統(tǒng)都是由高效率混動燃油發(fā)動機、高集成度雙電機混動變速器、高效能混合動力電池三大部分組成,擁有相同的架構(gòu),因此檸檬混動DHT可以適用于這兩種動力形式?!遍L城汽車相關(guān)人士告訴《中國汽車報》記者。

02

不同混動構(gòu)型

電池需求各異

“混動對于零部件的需求非常獨特,從大的構(gòu)型來看,混動(HEV)和插混汽車對于電池的要求與純電動汽車大不相同,而前兩者之間又有不小的差異;同樣是發(fā)動機和變速器,混動汽車的需求與傳統(tǒng)燃油車也是截然不同?!睆V汽乘用車有限公司技術(shù)中心產(chǎn)品技術(shù)室主任劉建國介紹道。

蜂巢能源相關(guān)人士告訴記者,純電動汽車采用能量型電池,插混汽車采用能量兼功率型電池,而混動汽車(HEV)采用的是功率型電池。目前,純電動汽車在純電模式下行駛里程一般超過350km,前期在補貼政策的影響下,企業(yè)主要追求電池的高能量密度,電量普遍大于40kWh。電池電量大對功率有較大貢獻。因此,除低SOC、低溫等極限情況外,純電動汽車對功率密度需求普遍不高。

插混汽車具備純電動和混動兩種模式,前者針對城市通勤的使用場景,后期兼顧長里程需求,解決里程焦慮。插混汽車在純電模式下行駛里程一般為50~80km,電量普遍不大,根據(jù)產(chǎn)品的不同定位,配套電池的電量為8~25kWh。

換句話說,對于插混汽車,企業(yè)一般會綜合考慮電池的能量密度和功率密度,能量密度與純電動汽車的電池相比略低,功率密度是其1.5~2倍;而且,為保證混動模式的動力性及助力性能,SOC使用范圍一般為15%~95%;同時,因車輛兼具純電動及混動特性,也需要特別關(guān)注純電動里程的占比,在80km每循環(huán)的前提下,純電動里程占比高,對電池循環(huán)壽命的挑戰(zhàn)較大。

混動汽車(HEV)的電池主要用于加速助力及能量回收,電量普遍較小,根據(jù)車型不同,約為0.8~2.1kWh;此外,由于僅有混動模式,其對電池的功率及循環(huán)壽命有很高的要求。

“增程式插混汽車由于發(fā)動機不直接參與驅(qū)動,而是依靠電機,對電池也有自己的要求?!眲⒔▏a充道,增程式插混技術(shù)路線中,發(fā)動機(增程器)僅用來發(fā)電,車輛電控策略相對簡單。

“由于增程式插混汽車對電池電量需求較大,純電動模式下行駛里程一般要達到200km甚至更長,增程器在高效率區(qū)間發(fā)電,延長車輛的續(xù)駛里程,匹配40kWh或更高電量的電池,通常采用高能量密度電芯進行方案設(shè)計?!狈涑材茉聪嚓P(guān)人士表示。

03

追求安全、高倍率、長壽命

不過,記者也了解到,遵循整車企業(yè)的設(shè)計思路,不同混動構(gòu)型對電池的需求也有共性可循?!澳壳?,自主品牌車企常見的混動技術(shù)路線,基本還是動力分流和雙電機串并聯(lián)兩大類。從這個角度來看,行業(yè)對于混動電池的需求具有一定的一致性?!眲⒔▏J(rèn)為。

科力遠相關(guān)人士向記者表示:“混動技術(shù)更關(guān)注電池的瞬間功率、脈沖循環(huán)壽命、日歷壽命及低溫啟動性能等,需要的是更具瞬間爆發(fā)力的功率型電池。純電動汽車動力電池的核心是能量密度、成本、循環(huán)壽命和安全性,更傾向于擴大續(xù)駛里程優(yōu)勢,需要的是可持續(xù)輸出的能量密度型電池?!?

“電池的安全性始終是整車企業(yè)的首要關(guān)注點。現(xiàn)階段,在混動汽車(HEV)的電池選型中有兩條比較主流的路線,一是鎳氫電池,一是NCM523三元鋰電池。插混汽車采用的一般為三元鋰和磷酸鐵鋰電池?!眲⒔▏嬖V記者,“無論NCM523鋰電池,還是鎳氫電池,都已有大量的應(yīng)用實績,安全性得到了充分的驗證。

那么,排在第二位的關(guān)注點就是如何幫助混動系統(tǒng)及整車盡可能的省油。以混動汽車(HEV)為例,研發(fā)人員需要通過各部件的配合,讓發(fā)動機始終在最節(jié)油、最經(jīng)濟的工況區(qū)間運行,需要關(guān)注電池的充放電性能。對比來看,一般純電動汽車的電池放電倍率約為1~3C,而混動汽車(HEV)專用電池的放電倍率要達到10C?!?

除此之外,混動汽車(HEV)專用電池的循環(huán)壽命非常重要。劉建國介紹說,從設(shè)計經(jīng)驗及測試結(jié)論來看,電池充放電深度一般為40%~80%,但由于在行駛過程中需要頻繁充放電,循環(huán)壽命一般要超過2萬次(約等于30萬km的行駛里程),而這一指標(biāo)(盡管充放電深度有所不同)在純電動或插混汽車上約為2千次。

科力遠相關(guān)人士佐證了這一觀點:“不同混動車型以追求發(fā)動機效率最高目標(biāo)來制定電池配套策略。功率分流路線以發(fā)動機為主,以動力電池為輔,需要快速大功率放電能力的電池;串并聯(lián)路線以電驅(qū)動(動力電池)為主,以發(fā)動機為輔,對電池的功率要求更高?!?

“自主品牌車企的混動架構(gòu),以雙電機串并聯(lián)路線為主。插混汽車由于有更長的純電續(xù)駛里程,必然會要求一個容量較大的電池包,電芯一般70Ah左右,而混動汽車(HEV)的電池容量只有5Ah左右。這意味著,混動電池要在體積小的前提下,做到較高的充放電倍率,對隔膜、電芯、涂層材料等關(guān)鍵部件要求更高,加工工藝也會更復(fù)雜,精度誤差控制要更精確?!眲⒔▏忉尩?。

04

混動市場的電池博弈

隨著不同技術(shù)路線混動汽車的發(fā)展,相關(guān)整車的電池配套正沿著各自的產(chǎn)業(yè)邏輯不斷進化。通過比亞迪超混系列車型的上市,刀片式磷酸鐵鋰電池開始在插混汽車上應(yīng)用,而混動汽車(HEV)領(lǐng)域,本田大量應(yīng)用三元鋰電池,豐田還堅持著鎳氫電池路線,并不斷進行新的嘗試。這是原有格局出現(xiàn)變化的信號,抑或是一種新博弈的開始?

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“三元鋰、鎳氫、磷酸鐵鋰電池在特性上各有所長,三元鋰電池能量密度高,但成本也較高;磷酸鐵鋰電池成本低,穩(wěn)定性好,但低溫下放電性能相對較差;鎳氫電池環(huán)保、可靠性更高、充放電倍率高,但能量密度再次之,且有一定記憶效應(yīng)?!眲⒔▏硎?,“因此,整車企業(yè)還是要根據(jù)車輛設(shè)計要求,系統(tǒng)考慮電機、電控、發(fā)動機、變速器等重要零部件后再選擇電池類型。”

科力遠相關(guān)人士介紹道:“混動汽車(HEV)專用電池目前可在零下30℃環(huán)境下快速低溫啟動,淺充淺放下能做到循環(huán)壽命1萬次以上,相當(dāng)于與汽車同壽命或行駛20萬km。鎳氫電池具有高安全、長壽命、大功率、寬溫域、易回收等產(chǎn)品特點,其正極由球鎳制成,負(fù)極活性物質(zhì)則由儲氫合金構(gòu)成,屬于相對穩(wěn)定的材料,堿性水系電解液有良好的阻燃性能,不會發(fā)生爆炸燃燒事故;淺充淺放狀態(tài)下循環(huán)壽命可達1萬次以上;在零下40℃~60℃環(huán)境下保持高倍率充放電?!?

記者整理相關(guān)信息后發(fā)現(xiàn),作為混動汽車市場重要一極的豐田,采用了THS功率分流技術(shù)路線,并堅持以鎳氫電池為主,其混動車型的經(jīng)濟性、安全性、耐久性得到了市場的充分認(rèn)可。而2021年8月,由科力遠與豐田中國、新中源和豐田通商等合資成立、專門生產(chǎn)供應(yīng)鎳氫動力電池的企業(yè)科力美,完成了最新一期擴產(chǎn),總產(chǎn)能達到48萬臺。由此可見,在一定時期內(nèi),鎳氫電池對于混動汽車(HEV)的發(fā)展意義仍十分重要。

“三元鋰電池在低溫、功率密度等領(lǐng)域有一定優(yōu)勢,在插混和混動汽車(HEV)上均有比較廣泛的應(yīng)用;磷酸鐵鋰電池則主要應(yīng)用于插混汽車?!狈涑材茉聪嚓P(guān)人士表示。

05

未來多技術(shù)路線

仍將共存

“我國幅員遼闊,跨越了多個氣候帶,單一技術(shù)路線無法應(yīng)對復(fù)雜的工況需求。比如,在東北三省等冬季溫度較低的北方區(qū)域,鋰電池充放電性能都會下降,影響車輛運行狀態(tài)。在高熱地區(qū),過高的溫度也會給電池的安全性帶來考驗。鎳氫電池具備更好的低溫性和穩(wěn)定性,由于采用堿性電解質(zhì)水溶液,工作溫度可以低至零下40℃?!?

科力遠相關(guān)人士認(rèn)為,“從技術(shù)角度講,鎳氫、三元鋰、刀片式磷酸鋰電池各有其使用場景,分別適用于不同的混動架構(gòu)。在高能量密度、高功率密度、高安全性和寬溫幅等關(guān)鍵性能指標(biāo)的平衡上進行客觀分析,鎳氫電池和鋰電池并不是替代關(guān)系,在很長的時間內(nèi),不同體系的電池技術(shù)將長期共存,并在各自適用的細分市場領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展。此外,從全球電池材料資源特性以及我國的資源稟賦來看,不同材料體系的動力電池共同發(fā)展,對于緩解電池材料供需、實現(xiàn)成本控制具有重要意義。”

“新能源汽車都以提高續(xù)駛里程為目標(biāo),動力電池在向CTP(無模組)方向發(fā)展。刀片電池只是一種電芯的結(jié)構(gòu)形式,能提高電池系統(tǒng)的空間利用率,相同空間實現(xiàn)更多的電量儲備,提升了磷酸鐵鋰電池車型的競爭力。短刀電池布置靈活,兼容性更好,是我們未來產(chǎn)品的重點布局之一?!狈涑材茉聪嚓P(guān)人士也較認(rèn)同不同類型電池將共存的看法。

從整車企業(yè)的角度來看,未來混動汽車的發(fā)展趨勢是一個多因素共同作用的過程。在劉建國看來,理論上,隨著“綠電”比例提升,純電動汽車的應(yīng)用規(guī)模將不斷擴大,進一步體現(xiàn)出節(jié)能減排的優(yōu)勢。插混汽車在短期內(nèi)還會享受新能源汽車政策紅利,首先在一些區(qū)域市場能夠獲得專用牌照,享受使用便利,其次目前依然享受免購置稅政策。

另外,由于插混汽車“可油可電”,不少消費者出于對消費習(xí)慣和使用場景的考慮,對其情有獨鐘。而且,在這一細分市場將出現(xiàn)長續(xù)駛、短續(xù)駛版本共存的情況。不過,從長遠的角度來看,混動汽車(HEV)是幫助傳統(tǒng)燃油車實現(xiàn)碳達峰目標(biāo)的重要途徑。“以廣汽傳祺GS8為例,配裝混動專用發(fā)動機的HEV車型,2噸多的整備質(zhì)量NEDC油耗5.3L/100km相當(dāng)優(yōu)秀?!彼f。

科力遠相關(guān)人士告訴記者,2021年,我國混動汽車銷量同比增長121.6%,國內(nèi)外車企紛紛加快了混動布局,技術(shù)路線和車型不斷豐富,帶動配套專用電池的市場規(guī)模持續(xù)提升,1~3年內(nèi)的市場占比有望達到20%。“‘雙積分’等行業(yè)政策將有效提升車企發(fā)展混動的積極性?;靹訉⒊蔀榭焖偬娲加蛙嚨淖罴堰x擇,配套專用電池的市場規(guī)模有著巨大的成長空間。未來,混動電池將朝著耐久性更強、安全性更高、成本更低、功率更大的方向進化,由此帶來更好的經(jīng)濟性與行駛體驗?!?

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