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电池系统和电动汽车的续航里程

2020/05/01
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引言:目前纯电动汽车的平台开发,都是通过一个独立的电池系统和一套独立的驱动系统,然后去比较电池系统和驱动系统的特性来决定整车的续航里程、加速性能、充电性能和整车的成本。事实上来说,现阶段小到核心的电芯和功率电子元件,大到系统集成的能力,都是影响车辆是否有竞争力的关键。我们这里还是首先来看电池系统,电池系统目前决定了能给车多少电量,需要占多少空间,需要占多大的重量和多大的成本。做好了真香,做不好 Out 了。 

01 从电量开始

在电池系统的设计过程中,各家有几个基本的需求:续航里程、快充速度 、放电功率需求、布置的基本要求和母线电压等级。根据以上的整车基本要求之后分解,可以确定系统额定电压、容量要求及充放电功率,计算得到电芯的规格,根据现有的电芯现有的路径相近进行分解,然后确定配置规格。然后在一个约定的空间下进行进行整体电池布置,这里涉及到电池模组的布置空间、电气总成的布置。这里不同的车型和不同的驱动系统的搭配,能耗并不相同,所以同样的 500 公里 NEDC 的续航,轿车 60kwh 左右就能做,SUV 需要 65kwh 甚至更多,中大型的 SUV 需要近 75kwh 以上,这是 2020 年 Q1 已经有产量的 500 公里以上的车型。

图 1 现有量产的 500 公里的车型电量

这里就有三种不同的路径:

1) 方壳:这块其实是目前的趋势,套用之前塔菲尔的电芯路径图,基于 148mm 电芯的电芯容量已经倍拉到了 190Ah 和 223Ah;基于 220mm 电芯的容量也做到了 162Ah 和 230Ah,所以配置的时候用 1P 的方式进行配置。目前绝大部分的 500 公里以上的电动汽车,都是基于这种单体大容量的电芯来做的。 

图 2 方壳大电芯的路线 

2) 圆柱:目前用圆柱的并且有比较强的竞争力的汽车企业,也只有特斯拉了。 

3) 软包:由于软包电池厚度的限制,所以容量目前被限制在 60Ah-78Ah,目前来看能做的配置最多的还是按照 BEV3 的方式来配置模组,这个看上去变化最多的一些。 

图 3 通用的三种不同的软包模组结构

 

02 与电量相关的要素

            

满足续航开始,后面就开始继续的挑战了: 

能量密度:这个主要是在一定的能量下,整车需要控制整备质量,通过减重能拿到更好的行驶效能 

成本考核:目前按照 CATL 的年报,40 多 GWh 平均的销售价格已经在 0.94 元 /Wh,平均 28%以上的毛利,考核的成本需要在这个平均价格上面继续往下探 

充电速度:目前欧洲的设计,从 MEB 的 120kW 开始,基本在 150kW 左右。 

电池的尺寸:目前追求压缩的是为跑车、轿车上面需求的 Z 向高度 

寿命:从特斯拉的 100 万英里开始,大家开始讲更长的寿命 

其他还有安全方面的要求,这里面有些东西都是连环套,特别是在能量一定的条件下,能量密度、快充速度和成本是一个很难兼顾的三角形,提高了性能之后很多约束都有变化。 

 

小结:我觉得做着做着很容易出矩阵,确实是很容易在满足多个要求的时候,在没有特别好的优先级下面,按下葫芦浮起瓢!目前确实是电动汽车的续航里程的军备竞赛,有特斯拉的不断降压的压力下,还要比谁更便宜。

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笔者 朱玉龙,一名汽车行业的工程师,2008年入行,做的是让人看不透的新能源汽车行业。我学的是测试和电路,从汽车电子硬件开始起步,现在在做子系统和产品方面的工作。汽车产业虽然已经被人视为夕阳产业,不过我相信未来衣食住行中的行,汽车仍是实现个人自由的不二工具,愿在汽车电子电气的工程方面耕耘和努力,更愿与同行和感兴趣的朋友分享见解。