“核武器”之战:解析比亚迪与特斯拉电池电控技术

2013-11-28 18:12:15来源: 车云网
    位于芳草地购物中心的特斯拉北京体验店试营业之后,来参观的人不少,询问细节的人不多。特斯拉所传达的还是一种硅谷精神。  

    而十二月份,曾在机场四百米长道上与各品牌跑车飙速的比亚迪“秦”,也将正式落地市场。这是比亚迪“双擎双模”系列的处女秀。

    新能源汽车似乎在以一种极力证明自己的方式,从市场角落慢慢贴近过来。而电动车企业,在磕磕绊绊中逐渐成为这支队伍里的主流。

    对于电的执着,从那串飞上天的钥匙,到对于如何提高续航里程,百年来从未停歇。而电动车产品,也在起落之后,来到了一个全新起点。电力系统作为其“核”武器,究竟蕴藏了多少力量,今后又将如何爆发,都是难以断言的未知。而在未知的原点,却是能够量化的已知。

    电动车的未来,代表着寂静、忍耐。但浪尖上的中西方代表:比亚迪与特斯拉,却有话要说。

磷酸铁锂与镍钴铝电池之局

    在电机、控制技术有据可循、日趋成熟之时,电动车最难破解的困局以及最大的比拼都来自于电池技术。

    特斯拉在早期Roadster电动跑车上,采用了体积甚小的18650钴酸锂电池,这种电池通常被用在手机、笔记本电脑等小型电器上。它最大的特点是拥有非常高的能量密度,几乎达到170瓦时/千克。但是其热稳定性同时饱受诟病,在180度左右就会出现分解现象并产生氧气。

特斯拉电池单体及电池包、车辆结构

    后来,特斯拉为了折中能量密度、功率密度以及安全性,在Model S车型上使用了改性三元电池镍钴铝电池,使其电池总数达到了8000多节,比Roadster多出1000多节,但是成本却下降了三成。尽管如此,十分有限的循环次数依然成为桎梏此类电池在电动车上应用的难题,以每两天一次的充电频率计算,大概在三到四年之后,电池就将寿终正寝。

    特斯拉对此的解决方法是,提供“无过失”电池保修政策,即只要不是人为损坏、碰撞事故造成的电池损毁,都可以得到八年免费质保。且当电池寿命到期后,特斯拉将承担电池的回收与换新。这样的政策会随着入门级车型的推出、销量的增加为特斯拉带来非常大的压力。这或许也是其准备筹建世界上最大的电池厂的原因之一。

    相比之下,比亚迪所采用的磷酸锂铁电池是目前应用更为广泛的电池。它的优势在于热稳定性很高,在600度时结构依然比较稳定,同时因为三价铁离子并不活泼,很难再发生化学变化,这令其寿命相对较长,理论上能够大于整车寿命,长期使用的成本较低。同时,磷酸锂铁电池的功率密度比较好,可以大倍率放电,有良好的加速性能。

比亚迪电池单体及电池包

    但是,相对于三元锂电池,磷酸锂铁电池的能量密度并没有优势,大约在100~110瓦时/千克,这导致在重量相同的条件下,其续航里程较短,想要取得更高的续航里程,就难免需要增加电池重量,提高成本。

    综合性能来看,并非所有企业都有特斯拉的软件能力、电池管理能力,所以磷酸锂铁电池还是被更多看好、更为务实的电池种类。这或许也是通用准备采用磷酸锂铁电池的原因之一。

    因为电池所具备的特点,特斯拉在其电池排布、热管理系统、电池管理系统上进行了非常深入的设计,以保证每个电池单元都在监管之下,其状态数据能够被随时反馈、处理。对于单个体积很小的电池单元,特斯拉将其独立封闭在钢制隔间里,同时液冷系统可以具体到为每一个电池单元进行冷却,降低彼此的温差,也相对降低了电池自燃的风险。

    而特斯拉曝出事故,原因大体来自于电池包穿刺之后造成的动力线局部短路。目前特斯拉还不能解决电池包被冲击力极端破坏下产生燃烧爆炸的情况,只是高强度的保护为车主逃生争取到了更多时间。

    事实上,这几乎是电动车潜在的共通隐患,对于电池管理系统的功用提出了非常高的要求。除了日常对于电池温度、工作状态的监管,还需要在温度迅速改变、或发生极端碰撞时立刻切断高压线路。而热管理系统、电池管理系统的升级也会缩短电池充电时间,带来更高的充电效率。

    除此之外,低温环境下如何保障电池充电及使用效率,是从事电动车研发、生产的企业需要解决的问题。

    另外需要一提的是,特斯拉一直推广的是纯电动车产品,而其走高端路线、由高到低的产品思路,也从侧面反映了市场对于电动车的包容性还远远不够。

    比亚迪未来打算推广的“双擎双模”汽车,实际上也是为了在电动市场真正打开之前,能够推广插电式混动汽车作为过渡产品。相对于传统汽油车,混动汽车更加省油,并且减小了电池用量,考虑到新能源车的政策补贴,购车成本也得到了下探,这是符合比亚迪平民化路线的产品思路。

同步与异步,电机之选

    电流在离开电池、到达电机的过程里,需要通过逆变器,将直流电“改造”成符合电机驱动的交流电,而后输入电机,由驱动电路带动电机旋转输出扭矩。在电机选取的思路上,特斯拉保守起见,采用了目前技术更成熟、应用领域广泛的异步电动机,而定位平民化的比亚迪却带着一点难以理解的固执,选择了相对比较“难啃”的永磁同步电动机。

    两者在工作原理上并不存在本质区别,都是依靠定子与转子间的电磁感应产生并输出转矩。异步电机通过定子绕组建立转子磁场,而永磁同步电机顾名思义,在转子部分采用了永磁材料。选择合适的电机,也将对电池电量下降产生一定的弥补作用,这会节约一部分电池成本。

    异步电动机的储备技术相对成熟,运行可靠、持久,无论是工厂大功率电机还是家里的冰箱、洗衣机,几乎都能见其踪影。这对于造价高昂的电动车而言,是非常理智、朴实的选择。但与此同时,相较于其他电器用品,电动车对于电力驱动部分更为细致的追求也突出了异步电机的不足,除了需要消耗更大电量,其转子也容易发热,提速性能较为普通。

    为了改善异步电动机带来的劣势,特斯拉首先在电调部分做起了文章,采用IGBT来满足高效变电控制,并重组了电动机与变速箱之间的电气连接,以此提高电动机在低转速下的输出扭矩。

    比亚迪所采用的永磁同步电机,在效率以及功率密度方面得到了不小提升,提速性能比异步电动机更快,且结构简单,维护起来相对容易。但其在技术储备、应用领域尚未至成熟,况且永磁体所包含的稀土材料造价较高一直是永磁同步电动机的顽疾。比亚迪做出这样的选择,一方面节省了驱动装置对于动力需求所要做出的调整,另一方面却也给成本控制带来了难度。而如何将磁体以更低的稀土材料发挥原有效能,或许还需要比亚迪继续思考。

集成与重塑,谁更接近未来

    随着Model S车型的到来,特斯拉一再颠覆自己的充电时间,大肆扩张超级充电桩的数量和覆盖面积,以及领先的造车理念、销售模式,使其一时间成为了汽车界的“苹果”公司。但在不少传统汽车企业看来,特斯拉的横空出世还不足以对汽车行业产生颠覆性的冲击。而对于新能源汽车存在方式的理解,也仍有不少分歧。

    在自主品牌中,“分分钟造出特斯拉”成为了流行语。同为新能源汽车企业的比亚迪率先放出了豪言壮语,而最近,吉利的老大李书福也表达了相似的意思。归其原本,或许是因为特斯拉在展现先进的造车理念的背后,体现的是其强大的技术集成、整合能力。从其电池、电机的选择来看,特斯拉有意在将现有的、较为成熟的技术精密化,减少基础产品技术的创新成本,将零部件之间的集成潜力发挥到最大。

    对于同时进行基础技术研发、匹配的汽车企业来讲,特斯拉还很难被看作一个强大的汽车企业,从高端车型入手、暂时缺少平民化的车型也令其在新能源领域的“革命”之说少了几分说服力,但这却与特斯拉的发展历史相辅相成。

    事实上,作为同样造车十年的比亚迪,也还没有树立起在新能源汽车领域的绝对优势,甚至需要经常应对来自四面八方的质疑和比较。但值得注意的是,比亚迪与特斯拉采取的产品思路并不相同。依托于产业链的垂直整合,比亚迪包揽了大部分零部件的自主生产,此外,双擎双模的核心技术及控制单元也来自于自主研发。相比于特斯拉在整合能力上的创新和极致追求,比亚迪选择了从新兴技术角度寻找突破口,这更加靠近创新的基础,但同时也对企业技术实力的储备提出了很大挑战。

小结:

    传统汽车企业沉积多年造车经验,但分身乏术,不能投入太多精力于新能源汽车,本末倒置;专注于新能源汽车的企业在赋予产品更多科技色彩的同时,囿于造车经验的单薄,还难以避免瑕疵。

    十年之前,电动车市场几近扁平,缩在汽车产品的一角鲜有问津。随着锂电池的技术突破,电动车逐渐有了立体、丰盈的机会。这个机会,同样也是追求新能源汽车的企业期盼已久的时刻。

    特斯拉以3.9秒的百公里加速和17寸杀死所有物理按键的中控屏幕将硅谷精神落地北美。比亚迪则更接近中国人的性格,不冒险、不高调,从普及新能源汽车的愿望入手,渗透公共交通领域,并逐渐开发出低价、平民化的混动、电动车。除了比亚迪与特斯拉,今后会有更多的新能源车相遇在中国。

    抗衡和竞争首先需要市场的成熟与吞纳。在此之前,新能源汽车无论是技术、政策、环境还是产品定位,都面临相似的困难。就像从河底的泥沙里淘金,除了手臂不停筛动、眼光始终聚焦之外,还需要时间的推手,将无谓的浑浊重新沉入河里,只留清澈。

关键字:解析  电池  技术

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/1128/article_8240.html
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