本站原创电动汽车还有些大问题需要解决
毫无疑问,电动汽车已经驶上了产业发展的快车道.
根据科技部牵头制定的《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》,到2015年,我国要实现100万辆的电动汽车保有量,以及100亿瓦时的动力电池产能.同时,与电动汽车有关的充电站以及配套设施建设也已经相继在全国范围内迅速展开.
与此同时,人们争相谈论的电动汽车单次充电可行驶里程,也在短短一年时间里,从一百余公里一路飙升至超过一千公里.
不论是不甘在电动车时代失势于人的汽车厂商,还是盘算着可以得到多少国家补助的消费者,似乎都忽视了一个最基本也是最重要的问题――谁来保证电动汽车的安全尽管现有电动车,都由原型车奠定了不错的基础,但由于使用电池代替油箱、电机代替发动机,安全要求的变化使得电动汽车研发的难度,丝毫不逊色于推出一款新车.
“不是拆掉油箱换上电池,拆掉发动机换上电机,传统汽车就变成电动汽车了.”清华大学汽车安全与节能国家重点实验室副主任宋健博士说,“动力系统,对整车性能的贡献度,最多只有四分之一.而把油箱换成电池,还会带来许多新的安全问题.”
“安全,是汽车驾驶者最基本也是最核心的需求.为了满足这一需求,我们需要更多的实验来寻求更好的解决方案.”沃尔沃汽车公司特殊车辆部门总裁莱纳特斯泰格兰德也表达了同样的观点.不久前,经过十四个月的研发,沃尔沃推出了其第一款纯电动汽车C30DRIVe.
不安全的锂电池组
在电动汽车电源候选材料的竞争中,锂离子电池拥有无可比拟的优势.它能量密度大、工作条件要求不高而且不具有记忆性.多年以来手机的广泛使用,更使大家对锂电池的安全性确信不疑.
但在电动汽车中,由于要兼顾行驶里程与动力性能,其工作电压通常高达几百伏,而锂离子电池所能提供的最大电压也只有4.6伏.将大量电池单体通过串并联形成的电池组,由此成为纯电动汽车的必备元件.
但简单的叠加,并不意味着安全效果不会因此下降.“电池单体管理技术确实已经相当成熟.但针对电池组的管理技术研发,则明显滞后.”电池专家张云龙表示,尽管电池生产工艺进步迅速,但电池单体之间差异不会消除.而这种个体差异不但会影响电池寿命,还会为电池的安全带来许多新的难题.
以电池容量为例,其差异性不但不会随着电池的使用趋于消失,相反,还会在这个过程中不断加剧.当电池组中有电流通过时,容量大的单体总是处于小电流浅充浅放的状态,而容量小的单体则总是处于大电流过充过放的阶段.前者有利于电池寿命的延长,后者则会导致电池寿命缩短.
所谓过充,是指实际充电已经完成而仍继续充电时,电池所处的状态,过放则是指电池放电已经完成而仍继续被迫放电时,电池所处的阶段.在电池组中,充放电依据的是电池组的平均电压,而电池单体间电气参数差异的存在,使得过充与过放的发生频率远远超过单独使用电池单体时的频率.
除影响寿命外,过充还会带来更大的安全威胁.过充中,锂电池正极材料结构可能发生变化.这种变化会使电解液分解,析出金属锂的同时释放大量气体.这些气体会冲破电池壳体,使锂与空气直接接触.而锂是最活跃的金属元素,与空气直接接触将导致电池燃烧,甚至爆炸.
因此,如何保证电池正常运行,已经成为影响电动汽车量产的重要因素,其重要性甚至超过了降低成本.
“产量每翻一番,平均成本就会下降3%.因此,成本将不会成为制约电动汽车发展的最大问题.”莱纳特表示,“但在此之前,我们必须解决好电动汽车的安全问题.”此前,沃尔沃已经牺牲了部分惹眼的参数,选择了相对安全但能量密度较小的电池材料.而现在,沃尔沃还需要为这块电池设计出一个智能管理系统.
目前,针对电池组的电池管理技术主要集中在对电池组整体效能的管理上.因此,目前电动汽车的单次充电可行驶里程取得了巨大的进步.但对电池单体差异造成的电池组安全隐患,各厂商普遍没有予以足够的重视,这也成为各大厂商电动汽车迟迟不能量产的重要原因.
沃尔沃的电池管理系统,率先开始关注这一领域.
在这套电池管理系统中,沃尔沃设计了一个可以监控电池组中每一块电池的的监控系统,并将这个监控系统与车内电脑连接起来.如果在充电或行驶过程中电池组内出现短路,或者电池组中某电池单体的电流流向错误的方向,车内电脑就会触发电池组上的自动隔离装置,由其立刻阻断并隔离电池.
而如果电池受损导致气体泄漏,也会有专门的排泄管道让气体迅速由汽车底部排出,从而避免气体逸出接触到车内乘员,或者冲破密闭系统导致更严重的安全事故.
“只要你不刻意去寻求短路的快感,我们就有信心保证你的安全.”莱纳特说.对沃尔沃而言,这一问题的解决意义重大.此前不久,沃尔沃刚刚制定了其安全方面的新目标:到2020年,没有人会因为驾驶沃尔沃汽车而死亡.也恰是在2020年,沃尔沃计划将纯电动汽车全面推向市场.
后车轮之间的电池
但电池管理系统的解决,并不意味着所有问题迎刃而解.“电池组的安放位置,同样是电动汽车研发过程中一个棘手的难题.”
油的液态性质,决定了油箱几乎可以采取任何形状.而为了布线方便同时避免电路裸露在外,电池组通常被设计成方方正正的形状以集中密闭存放.这就需要为这块电池寻找一个空间,使其能够得到安置又不会影响车厢空间以及汽车美感.同时,电池组巨大的重量也会影响汽车的配重.
目前,受制于电池体积以及研发成本,很多厂商都选择将电池安装在汽车尾部的后备箱中或者镶嵌在汽车前部的机械设备中,甚至安装在汽车底盘上.但一旦遭遇追尾或侧翻,这些位置并不能保证电池在撞击时的安全.
这个问题同样困扰着沃尔沃.尽管沃尔沃拥有世界上最全面的安全数据,但在电动汽车领域,这些数据的价值无疑大打折扣,很多工作都需要重新开始.
因此,尽管每部C30DRIVe的成本是标准版C30的几倍,但在迄今为止产出的该款车型中,还是有接近一半产品的寿命都终结在了碰撞实验室中.在最初的十辆C30DRIVe中,有四辆成为碰撞试验的牺牲品,随后的十五辆中,又有五辆成为碰撞试验的牺牲品.
“在进行正式的碰撞试验之前,我们已经进行了大量的计算机模拟试验.但最终效果还是需要实际试验来检验.”沃尔沃汽车公司的高级安全顾问托马斯表示,“比较幸运的是,实际碰撞的测试结果与模拟实验的结果相当接近.”
通过这些试验,沃尔沃为这块体积庞大的电池找到了一个颇有新意的位置――两个后车轮之间.不论汽车遭遇什么方向的撞击,这一位置几乎都远离了汽车的撞击缓冲区.同时,沃尔沃还加固了电池周围的钢梁等部件,从而进一步保护了电池在碰撞中的安全.
“这些只是测试的初级阶段.”莱纳特表示.按照沃尔沃的计划,从明年第十四周开始,C30DRIVe的生产速度将达到每周十辆,以测试不同路况下汽车的安全性能.而在那之后,电动汽车量产时代的曙光,可能才刚刚到来.
锂电池正扭曲为融资工具
“大量民间资本涌入锂电池行业,动辄几十个亿,然而有市场,没有产品.”国际锂电“黄埔军校”――美国valence公司原亚太区总监、恒正科技(苏州有限)公司现任董事长董明博士接受媒体采访时称.
记者:您有没有统计过中国现在的锂电池厂家到底有多少家产能又是多少
董明:这个数字的水分太大,据说有上千家,但我知道的确有几百家.我们中国现在的电池是严重的低端重复,有投入、没产品、没技术.
记者:为什么会出现严重的低端投入
董明:炒作,各种各样的炒作.很多投资公司的分析师用的数据、资料基本都是道听途说,这些分析报告就把这市场炒到了发疯的状况.我遇到很多投资公司,你如果告诉他们我需要一两个亿的投资,他们基本没有兴趣.你要是说我要二十亿的投资,他们立刻就眼睛放光.
记者:您一定能切身感到这个行业的浮躁
董明:人的浮躁最为直观,大家急功近利,别人多给些钱就跑了,这种人才的流动其实是个浪费.现在这个行业专门有一批人,到了企业,从写设备、写材料这个环节拿回扣,写完了,拔腿就走人,一般六到八个月就换地方,很多人叫他们“江湖骗子”.不仅如此,目前锂电池行业内三分之一的博士是检测的,是企业宣传造成的结果.
记者:如此多的投入,锂电池行业很容易进入
董明:这是个误区.实际上,举个例子,作为电池厂,真正做一个电池要满足汽车的需求,没有三五个亿做不成,但很多人三五百万就起家了.三五百万和三五亿肯定不一样,从人员、装备、技术、环境,肯定有差别,但无论如何它都能做成产品和样品.一般人来说,很难判断.所以造就了产品技术的梯度、人员的梯度.
记者:目前,国内企业对于电池路径的选择还不一致
董明:是的,国内有很多企业在做单体大电池,它们认为,做单体小电池太多了,一致性不好控制,做大做少,相对来说好控制,其实这个思路是不对的,因为现有的装备水平,不具备产业化生产的条件,装备不成熟,技术不成熟,管理更不到位.
记者:很多企业在宣传自己的单体电池有多大.
董明:这种做大电池,成本更高,成品率更低,一致性更差.组合成系统之后,系统的安全可靠性更差,这很危险.国外几乎没有任何企业走中国这条路.但我们大多数的企业,有一个朴素的感觉,这样比较简单,所以这么走,这样很危险.创新一定要有积累.国外锂电池做了二三十年,不是我跟人家不一样,就叫创新.
记者:未来会死掉一批电池厂
董明:锂电池、新能源这个故事很好,可以去银行贷款,贷款回来并不投入在电池厂,而是投入房地产,有存活的办法.电池厂很多实际上已扭曲成为其融资的工具.这样的企业蛮多的,浙江最多.(摘自《21世纪经济报道》)