新能源汽車越來越火,其中最重要的部件就是鋰離子動力電池組,最重要的指標就是續航里程,讓我們一起來了解一下鋰離子電池和續航里程的基本常識。
1. 電池的組成
電池由電極、隔膜、電解液和外殼組成。電極由活性物質和導電骨架組成,活性物質就是正負極中參加電化學反應的物質,導電骨架用來支撐活性物質並彙集電流,學名集流體。
正極活性物質有兩大類:NCM或NCA三元材料(Ni、Co、Mn鎳鈷錳三元鋰氧化物或Ni、Co、Al鎳鈷鋁三元鋰氧化物,電壓3.6-3.8V)和LiFePO4(磷酸鐵鋰,電壓3.2V)。
負極活性物質目前主要是碳材料,正在推進的有硅碳負極材料。
隔膜起隔離正負極防止內部短路的作用,電解液起鋰離子導電作用。固態電池就是用固態電解質取代隔膜和電解液,固態電解質既能把正負極隔開,又能實現鋰離子導電,安全性還更高,但是目前固態電解質電導率比不上電解液,這是因為離子在液體裏移動速度更快。
2. 電池的能量——瓦時(Wh)
新能源汽車的續航里程主要取決於電池的能量,也就是電池所能釋放出的電能,用瓦時(Wh)表示。瓦時=電壓×電量。電池裏把電量叫容量,用安時(Ah)來表示,1Ah=1A×3600s=3600C,1Wh=1V×1Ah=3600J,1kWh就是常説的1度電。在同等質量下,NCM三元材料電量大,電壓高,所以能量也大。但是NCM三元材料在安全性方面不如磷酸鐵鋰材料。
提高電池包的能量可以提高續航里程,但是不能靠堆砌電池來提高能量,那樣會增大車重,另外也沒有足夠的體積容納,所以為了在提高電池能量的同時不增加質量或體積,需要提高電池的能量密度,就是單位體積或單位質量下所釋放出的電能,目前採用磷酸鐵鋰的電池電芯能量密度能達到170-180Wh/kg,採用NCM三元材料配合碳負極能達到200-260Wh/kg、配合硅碳負極可達到300 Wh/kg。
電池一般佈置在在汽車底盤上(圖片來源:寧德時代官網)
3. 關於續航里程
現有的電動車續航里程測試標準主要有NEDC、WLTP和EPA三種,國內目前常用的是NEDC(new European driving cycle)測試標準。在5~32℃環境温度下進行室外試驗,在20~30℃室温下進行室內試驗。車上的照明、信號裝置以及空調等輔助設備應該關閉,除非試驗和車輛白天運行對這些裝置有要求。
NEDC測試如下:整個測試由4個市區循環測試加1個市郊測試組成。每個市區循環測試3分15秒,有停車、加速、等速、減速等過程,重複四次,這樣4個市區循環共測試13分鐘,試驗的當量距離為4km,平均車速為18.8km/h。城郊測試6分40秒,也是停車、加速、等速、減速等過程,但是平均車速提高到62.6km/h,試驗當量距離為7km。也就是説,整個測試約20分鐘,行駛距離11公里。如果這11公里耗了2度電,你的電池有100度電,那麼續航里程就是550公里。
NEDC測試過程
顯然,實際駕駛過程中如果氣温低、路況差、車速快、頻繁急停急剎、空調開放,那就會增大耗電量,所以實際行駛里程一般都會低於電動汽車標稱的續航里程。當然,如果在平整路面上一直用小於60 km/h的速度等速駕駛,實際里程也能高於標稱的續航里程。
4. 關於冬季掉電
無論電池做得多好,低温性能都不如常温性能,這是由電池的原理所決定的。
(1)電池是化學電源,是通過電化學反應來發電的,温度越低,化學反應速度越慢,這是一般規律,電池也不例外。
(2)電池的電解液是液態的,離子移動速度與電解液的粘度有很大關係,温度越低,粘度就越大,離子遷移就越困難,電導率會大大降低,比如在極端低温下,電解液被凍住了,那自然就沒法放電了。所以,除非有辦法給電池保暖,否則冬天性能下降是必然的。
為了解決這個問題,電動車企都會設計精細化智能電池熱管理温控系統,電池温度過高給它降温,電池温度過低給它升温,爭取讓它在適宜工作温度(10~40攝氏度)範圍內運轉。