混合动力汽车需要什么样的电池

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    发表于:02月22日 10:40  浏览量: 178  来源: 未知
摘要:前不久,中国汽车工程学会通过线上直播的方式召开“节能与新能源汽车技术路线图系列年度研究成果发布会”,提出了2021年节能与新能源汽车技术的九大动向,其中“集成混动专用发动机、机电耦合系统、大功率电机等专用部件的重度混动系统技术实现油耗降到4L/100km以下”引发关注。


自《节能与新能源汽车技术路线图2.0》2020年发布以来,行业发展混动技术的热情在极短的时间内被再度点燃,及至2021年年底,几乎所有主流自主品牌车企都推出了自家的混动系统架构。而随着市场的发展,对混动系统专用部件的需求也成为题中应有之义。具体到电池上,混动汽车究竟需要什么类型的电池,又是什么因素决定着市场的选择?这些问题少有人谈及,但却很有必要深入探讨。


01 混动汽车平台化成为趋势


混动热潮席卷而来,多家企业都推出了自己的技术和产品方案,但“混动”这一个语义包含了太多内容,不仅普通消费者容易一头雾水,即便业内人士想要在某一语境下厘清所指恐怕也需费一番工夫。目前来看,插电式混合动力汽车(PHEV)归入了新能源汽车序列,而混合动力汽车(HEV)则属于节能汽车的范畴。

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根据工信部2020年6月发布的《关于修改〈乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法〉的决定》,插混汽车可以获得1.6个新能源汽车积分;而混动汽车(HEV)则归入“低油耗乘用车”;同时,“2021年度、2022年度、2023年度,低油耗乘用车的生产量或进口量分别按照其数量的0.5倍、0.3倍、0.2倍计算”的规定也坚定了企业发展混动技术的决心。

从市场反馈情况来看,比如2021年12月,根据中国汽车工业协会的统计,当月纯电动汽车产销量分别为43.4万辆、44.8万辆,同比均增长1.1倍;插混汽车产销量分别为8.4万辆和8.2万辆,同比增长1.6倍、1.2倍,其中,比亚迪、理想汽车、上汽大众、宝马、上汽乘用车是主要的市场参与者。另据相关机构的统计,2021年上半年,我国混动乘用车(HEV)销量合计约为24.7万辆,同比增长72%,代表企业以本田系、丰田系为主,自主品牌车企暂未取得较大突破。

在行业政策及市场发展的背景下,大部分自主品牌车企推出的混动系统架构,都从整车开发设计的一致性,以及市场营销等不同角度出发,将目标定位在实现包含混动(HEV)和插混的“大一统”混动技术发展上。

以长城汽车柠檬混动DHT为例,据官方介绍,该系统集成了1.5L/1.5T混动专用发动机、发电/驱动双电机、定轴式变速器、双电机控制器、集成DC/DC。“由于混动(HEV)和插混系统都是由高效率混动燃油发动机、高集成度双电机混动变速器、高效能混合动力电池三大部分组成,拥有相同的架构,因此柠檬混动DHT可以适用于这两种动力形式。”长城汽车相关人士告诉《中国汽车报》记者。


02 不同混动构型电池需求各异

“混动对于零部件的需求非常独特,从大的构型来看,混动(HEV)和插混汽车对于电池的要求与纯电动汽车大不相同,而前两者之间又有不小的差异;同样是发动机和变速器,混动汽车的需求与传统燃油车也是截然不同。”广汽乘用车有限公司技术中心产品技术室主任刘建国介绍道。

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蜂巢能源相关人士告诉记者,纯电动汽车采用能量型电池,插混汽车采用能量兼功率型电池,而混动汽车(HEV)采用的是功率型电池。目前,纯电动汽车在纯电模式下行驶里程一般超过350km,前期在补贴政策的影响下,企业主要追求电池的高能量密度,电量普遍大于40kWh。电池电量大对功率有较大贡献。因此,除低SOC、低温等极限情况外,纯电动汽车对功率密度需求普遍不高。

插混汽车具备纯电动和混动两种模式,前者针对城市通勤的使用场景,后期兼顾长里程需求,解决里程焦虑。插混汽车在纯电模式下行驶里程一般为50~80km,电量普遍不大,根据产品的不同定位,配套电池的电量为8~25kWh。

换句话说,对于插混汽车,企业一般会综合考虑电池的能量密度和功率密度,能量密度与纯电动汽车的电池相比略低,功率密度是其1.5~2倍;而且,为保证混动模式的动力性及助力性能,SOC使用范围一般为15%~95%;同时,因车辆兼具纯电动及混动特性,也需要特别关注纯电动里程的占比,在80km每循环的前提下,纯电动里程占比高,对电池循环寿命的挑战较大。

混动汽车(HEV)的电池主要用于加速助力及能量回收,电量普遍较小,根据车型不同,约为0.8~2.1kWh;此外,由于仅有混动模式,其对电池的功率及循环寿命有很高的要求。

“增程式插混汽车由于发动机不直接参与驱动,而是依靠电机,对电池也有自己的要求。”刘建国补充道,增程式插混技术路线中,发动机(增程器)仅用来发电,车辆电控策略相对简单。

“由于增程式插混汽车对电池电量需求较大,纯电动模式下行驶里程一般要达到200km甚至更长,增程器在高效率区间发电,延长车辆的续驶里程,匹配40kWh或更高电量的电池,通常采用高能量密度电芯进行方案设计。”蜂巢能源相关人士表示。

0追求安全、高倍率、长寿命

不过,记者也了解到,遵循整车企业的设计思路,不同混动构型对电池的需求也有共性可循。“目前,自主品牌车企常见的混动技术路线,基本还是动力分流和双电机串并联两大类。从这个角度来看,行业对于混动电池的需求具有一定的一致性。”刘建国认为。

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科力远相关人士向记者表示:“混动技术更关注电池的瞬间功率、脉冲循环寿命、日历寿命及低温启动性能等,需要的是更具瞬间爆发力的功率型电池。纯电动汽车动力电池的核心是能量密度、成本、循环寿命和安全性,更倾向于扩大续驶里程优势,需要的是可持续输出的能量密度型电池。”

“电池的安全性始终是整车企业的首要关注点。现阶段,在混动汽车(HEV)的电池选型中有两条比较主流的路线,一是镍氢电池,一是NCM523三元锂电池。插混汽车采用的一般为三元锂和磷酸铁锂电池。”刘建国告诉记者,“无论NCM523锂电池,还是镍氢电池,都已有大量的应用实绩,安全性得到了充分的验证。

那么,排在第二位的关注点就是如何帮助混动系统及整车尽可能的省油。以混动汽车(HEV)为例,研发人员需要通过各部件的配合,让发动机始终在最节油、最经济的工况区间运行,需要关注电池的充放电性能。对比来看,一般纯电动汽车的电池放电倍率约为1~3C,而混动汽车(HEV)专用电池的放电倍率要达到10C。”

除此之外,混动汽车(HEV)专用电池的循环寿命非常重要。刘建国介绍说,从设计经验及测试结论来看,电池充放电深度一般为40%~80%,但由于在行驶过程中需要频繁充放电,循环寿命一般要超过2万次(约等于30万km的行驶里程),而这一指标(尽管充放电深度有所不同)在纯电动或插混汽车上约为2千次。

科力远相关人士佐证了这一观点:“不同混动车型以追求发动机效率最高目标来制定电池配套策略。功率分流路线以发动机为主,以动力电池为辅,需要快速大功率放电能力的电池;串并联路线以电驱动(动力电池)为主,以发动机为辅,对电池的功率要求更高。”

“自主品牌车企的混动架构,以双电机串并联路线为主。插混汽车由于有更长的纯电续驶里程,必然会要求一个容量较大的电池包,电芯一般70Ah左右,而混动汽车(HEV)的电池容量只有5Ah左右。这意味着,混动电池要在体积小的前提下,做到较高的充放电倍率,对隔膜、电芯、涂层材料等关键部件要求更高,加工工艺也会更复杂,精度误差控制要更精确。”刘建国解释道。

0混动市场的电池博弈

随着不同技术路线混动汽车的发展,相关整车的电池配套正沿着各自的产业逻辑不断进化。通过比亚迪超混系列车型的上市,刀片式磷酸铁锂电池开始在插混汽车上应用,而混动汽车(HEV)领域,本田大量应用三元锂电池,丰田还坚持着镍氢电池路线,并不断进行新的尝试。这是原有格局出现变化的信号,抑或是一种新博弈的开始?

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“三元锂、镍氢、磷酸铁锂电池在特性上各有所长,三元锂电池能量密度高,但成本也较高;磷酸铁锂电池成本低,稳定性好,但低温下放电性能相对较差;镍氢电池环保、可靠性更高、充放电倍率高,但能量密度再次之,且有一定记忆效应。”刘建国表示,“因此,整车企业还是要根据车辆设计要求,系统考虑电机、电控、发动机、变速器等重要零部件后再选择电池类型。”

科力远相关人士介绍道:“混动汽车(HEV)专用电池目前可在零下30℃环境下快速低温启动,浅充浅放下能做到循环寿命1万次以上,相当于与汽车同寿命或行驶20万km。镍氢电池具有高安全、长寿命、大功率、宽温域、易回收等产品特点,其正极由球镍制成,负极活性物质则由储氢合金构成,属于相对稳定的材料,碱性水系电解液有良好的阻燃性能,不会发生爆炸燃烧事故;浅充浅放状态下循环寿命可达1万次以上;在零下40℃~60℃环境下保持高倍率充放电。”

记者整理相关信息后发现,作为混动汽车市场重要一极的丰田,采用了THS功率分流技术路线,并坚持以镍氢电池为主,其混动车型的经济性、安全性、耐久性得到了市场的充分认可。而2021年8月,由科力远与丰田中国、新中源和丰田通商等合资成立、专门生产供应镍氢动力电池的企业科力美,完成了最新一期扩产,总产能达到48万台。由此可见,在一定时期内,镍氢电池对于混动汽车(HEV)的发展意义仍十分重要。

“三元锂电池在低温、功率密度等领域有一定优势,在插混和混动汽车(HEV)上均有比较广泛的应用;磷酸铁锂电池则主要应用于插混汽车。”蜂巢能源相关人士表示。


0未来多技术路线仍将共存

“我国幅员辽阔,跨越了多个气候带,单一技术路线无法应对复杂的工况需求。比如,在东北三省等冬季温度较低的北方区域,锂电池充放电性能都会下降,影响车辆运行状态。在高热地区,过高的温度也会给电池的安全性带来考验。镍氢电池具备更好的低温性和稳定性,由于采用碱性电解质水溶液,工作温度可以低至零下40℃。”

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科力远相关人士认为,“从技术角度讲,镍氢、三元锂、刀片式磷酸锂电池各有其使用场景,分别适用于不同的混动架构。在高能量密度、高功率密度、高安全性和宽温幅等关键性能指标的平衡上进行客观分析,镍氢电池和锂电池并不是替代关系,在很长的时间内,不同体系的电池技术将长期共存,并在各自适用的细分市场领域创新发展。此外,从全球电池材料资源特性以及我国的资源禀赋来看,不同材料体系的动力电池共同发展,对于缓解电池材料供需、实现成本控制具有重要意义。”

“新能源汽车都以提高续驶里程为目标,动力电池在向CTP(无模组)方向发展。刀片电池只是一种电芯的结构形式,能提高电池系统的空间利用率,相同空间实现更多的电量储备,提升了磷酸铁锂电池车型的竞争力。短刀电池布置灵活,兼容性更好,是我们未来产品的重点布局之一。”蜂巢能源相关人士也较认同不同类型电池将共存的看法。

从整车企业的角度来看,未来混动汽车的发展趋势是一个多因素共同作用的过程。在刘建国看来,理论上,随着“绿电”比例提升,纯电动汽车的应用规模将不断扩大,进一步体现出节能减排的优势。插混汽车在短期内还会享受新能源汽车政策红利,首先在一些区域市场能够获得专用牌照,享受使用便利,其次目前依然享受免购置税政策。

另外,由于插混汽车“可油可电”,不少消费者出于对消费习惯和使用场景的考虑,对其情有独钟。而且,在这一细分市场将出现长续驶、短续驶版本共存的情况。不过,从长远的角度来看,混动汽车(HEV)是帮助传统燃油车实现碳达峰目标的重要途径。“以广汽传祺GS8为例,配装混动专用发动机的HEV车型,2吨多的整备质量NEDC油耗5.3L/100km相当优秀。”他说。

科力远相关人士告诉记者,2021年,我国混动汽车销量同比增长121.6%,国内外车企纷纷加快了混动布局,技术路线和车型不断丰富,带

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