能量密度還重要嗎?在安全面前,它已不值得瘋狂追逐

3月下旬，財政部等四部委聯合發布了新能源汽車的補貼政策，萬眾期待的2019補貼新政就此翩然而至。在今年的補貼規則中，能量密度依然是衡量補貼金額的三大維度之一（另外兩個是續航和電耗），但不難看出，今年國家給予它的權重顯然低了一些——數值160瓦時/公斤即成為最高檔，而且今年對能量密度也沒有任何係數加權（去年最高係數為1.1，今年最高為1）。這裡到底有什麼門道呢？今天我們就來重新聊下能量密度這個話題。

■  能量密度並非萬能藥，它的弊端客觀存在

生活中有太多情況需要讓我們面臨「魚和熊掌不可兼得」的選擇，對於電池技術和能量密度來說恰恰也蘊含著同樣的關係。

首先，業內針對動力電池常說的能量密度，主要指的是「質量能量密度」，講的是同等質量下電池組儲存的總電量有多大。對於動力電池來說，它固然是重要指標，但卻不是唯一重要的那個。除它之外，衡量電池性能的主要指標至少還有：功率密度、循環壽命、倍率性能（充放電）、穩定性、一致性等等。這些指標相互依存且對立，基本是此消彼長的關係，其實歸結起來就是能量、功率、安全、壽命和成本之間的經典矛盾。

▲圍繞電池綜合性能的5大關鍵維度。

單就能量密度而言，它存在兩對最大的矛盾，它們是：

1. 電池能量密度和整車安全性的矛盾；

2. 電池能量密度和功率性能的矛盾；

怎麼理解呢？咱們分別聊一下：

A．和安全性的矛盾：我搬磚就沒法抱你，放下磚就沒法養你

鋰電池的性能主要取決於參與電極反應的活性物質，目前鋰離子電池能量提升的內在途徑主要有兩方面：

通過高比能的材料組合來實現（比如網紅高鎳電池NCM811），以此來提升離子活性，但活性越高又意味著電池的化學穩定性越低，容易發生熱失控，降低電池的安全性。 通過結構設計、集成技術來實現，也就是進一步提升輕量化程度、提高組件集成度和增大單體電池尺寸。但如果過多犧牲必要結構件，比如碰撞保護結構和溫控系統，無疑也對整車安全性存在影響。

也就是說，對電芯而言，能量密度上升的同時，電池穩定性會有相應下降，對BMS電控及電池熱管理的要求就更高。提升成組電池密度的時候，也不能以降低整體安全性為代價。

▲近期「大火」的特斯拉爆燃事件，才讓人們開始意識到電動汽車的安全性有多重要。

B. 和功率性能的矛盾：練長跑的運動員跑不了短跑

 

功率性能的主要指標是功率密度，衡量的是同質量或體積下的最大輸出功率。通俗點說，能量密度表達了電池的容量大小（單位：瓦時/公斤）；功率密度則表達了電池的瞬時動態特性、扭矩優劣（單位：瓦/公斤）。理論上，能量密度和功率密度本來是沒有必然關係的。但在目前階段鋰電池技術體系下這點卻是相互矛盾的：為提高能量密度我們需要提高活性物質的比例，比如提高電極的塗布量，這就導致了功率性能的下降，而為了提升功率密度又需要降低塗布量，增加導電液的比重。因此如何能在兩者之間達到一個平衡就變得非常困難。這也是為何動力電池可分為功率型電池和能量型電池。

也就是說，量密度上升的同時，功率性能會下降。

▲特斯拉的「狂暴」模式確實快，但也會極快的消耗續航和影響電池壽命。

■ 能量密度不應成為被瘋狂追逐的核心指標

此前在國家政策的引導下，國內車企和車型把衝刺續航和能量密度捆綁在了一起。動力電池發展有非常清晰的目標路線圖，按照國家動力電池技術路線圖的規劃，2020年，電池單體比能量達到350瓦時/公斤，系統比能量達到250瓦時/公斤，從目前的動力電池技術發展來看，第一點已經很難，第二點更是激進了一些。

▲國家關於動力電池能量密度和成本的規劃目標。

根據某電動汽車研究機構不完全統計，2017年和2018年，國內電動汽車發生的安全事故分別為14起和34起。國家863電動車重大專項動力電池測試中心主任王子東在今年年初曾說「目前很多起電動車起火事故都沒有找到確鑿的原因」。雖然不能說安全事故一定就和技術指標超速發展有直接關係，但至少算為我們敲響了警鐘。

所以高能量密度電池一定是基於安全可靠、壽命可期、產品一致性有益為前提的。無條件無前提的追逐能量密度，可能損失更多。當然，安全是其中最不容易量化的維度。要通過整個系統去優化，才能把電池的能量、功率、安全性、壽命、成本等平衡到最優。

■  最好的做法，是安全可靠排第一，兼顧續航、性能和壽命

我們直接來看看對安全、可靠性要求更高的成熟國際化品牌是怎麼做的吧——以德系豪華三強中的科技代表奧迪為例——首款純電動SUV 奧迪e-tron，其百公裡加速為5.7秒，NEDC續航超500公裡，電池容量也高達95度，唯獨能量密度不算突出，僅為135.7瓦時/公斤。單看這個數據，即使以2018年的國家標準來看也不算高，難道奧迪不知道高能量密度和高續航的關係嗎？

當然不是，奧迪只是找到了一整套自己的解決方案，針對電池，它的具體做法是這樣的：

加強度極高的殼體結構——這是完全由奧迪自己開發製造，並經過足夠的碰撞測試驗證後，最終選擇的方案。

上圖右上角的鋁框架防撞結構算是e-tron電池組的重要特色，碰撞時框架可以分散能量，起到保護作用，電池模組則在其框架內橫向布置。電池組的外框架有47%的擠壓鋁型材料，36%的鋁板和17%壓鑄鋁部件組成的。整個電池組重量約700公斤。從95千瓦時的電量來看，因為大量採用鋁製部件，並且加強度非常高，所以整個電池組的重量其實控制的還算OK。但正是由於內部防撞結構佔據了不少空間，導致能裝入的模組及電池數量受限，所以能量密度並不高。

▲內側的橫向、縱向防撞結構可以有效分散和疏導撞擊力

▲最終出來的電池組成品長這樣

▲電池組外框架（防撞梁）也採用了中空結構，減重和吸能兼顧。

精心設計的電池熱管理系統——為了讓電池保持在一個合適的溫度範圍內（奧迪的設定是25-35攝氏度），奧迪為電池組準備了風冷與液冷兩種不同的冷卻方式，根據使用情況的不同，會採用不同的冷卻循環。

交流充電時，外部電源通過高壓充電器與電池相連，在這裡高壓充電器是主要熱量來源，因而奧迪為充電器配備了水冷系統。

直流充電時外部電源直接與電池相連，因而此時電池是需要降溫的主要對象。奧迪沒有選擇將冷卻管道設置在電池模組之間，而是將冷卻管道平鋪在電池模塊下方（有微通道），通過填縫劑、導熱凝膠等來幫助電池散熱。這麼做，一來可以讓電池模組排列更緊湊，二來在模組之間就可以設置鋁合金框架，能夠在發生碰撞時引導碰撞能力，減少對電池帶來的損害。這裡也可以看出，在保證高效能溫控的前提下，安全是優先考慮，儘管可能帶來更多成本和能量密度的損失。

而在車輛運行狀態時，電池管理控制單元會根據電池的當前溫度情況，選擇使用風冷或者冷卻裝置來進行冷卻，相當於電池系統整車有4條冷卻迴路，可根據需要進行切換，分別是壓縮機、低溫冷卻器等組成的迴路、集成熱泵系統、高壓充電裝置水冷迴路，也同時兼顧了效能。

最後，奧迪對電芯是怎麼考慮的呢？

採用更「適合」的軟包電芯，而非密度更大但更危險的圓柱電芯——來自於軟包技術領先的的LG化學歐洲工廠，電芯及模組均由其提供（36個模組，432個電芯），單體能量密度數據不詳，但邦老師評估應該不會低。而圓柱電芯密度雖高，但一致性相對難以控制，軟包電芯因其內阻小、重量輕、密度高、形狀可塑性強的優點（雖然成本還要更高），更受奧迪、奔馳、日產等國際大品牌的青睞。

▲奧迪的軟包電芯模組，每個模組由12個60安時的電芯組成。

綜上可見，奧迪e-tron的電池組在幾個重要方面也算做得面面俱到了，包括在安全的前提下力求最大化利用空間，比起一味地追求很高的能量密度，奧迪選擇更能同時兼顧續航、安全、壽命、加速性能的方案。

 

■  相比於續航和安全，對能量密度的一味追逐暫時可以緩緩了

在整個2018年，大家還都認為能量密度是個非常核心的參數，對各類車型數據追得不亦樂乎。邦老師也明白，這個指標無疑是提高整車續航和能效的關鍵指標，但這應該僅限於生產者們的角度。對於廣大消費者來說，它只不過是目標實現過程中的一個參考值而已。與其關心這個數值，還不如關心關心你車輛的電耗。在這點上，今年補貼政策的調整邦老師是非常支持的。隨著主流家用車鎖定了400公裡+的續航，部分高端車型進入500公裡區間，續航焦慮正開始逐漸消除，也該進入全方位發展的階段了。而在國外，類似奧迪等車企的做法，反倒一直秉持一種很負責任的態度，續航和性能固然重要，但是對於安全和可靠的保證，包括研發階段足夠的技術及產品驗證，任何時候都值得給予更大的投入和耐心。