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【整理】电动车对电池的要求

最近在看一份09年欧盟JRC的报告，Plug-in Hybrid and Battery-Electric Vehicles: State of the research and development and comparative analysis of energy and cost efficiency。这个JRC是为欧盟的决策者提供一些科学依据的机构，所作的报告的可读性还是很强的。报告里面总结了一些文献提出的电动车对电池的要求，这里面列一下。有兴趣详细了解的自己去找全文好了。下载地址是：外链出处

首先就是能量要求。电池就是来携带能量的，所以可以携带能量的多少就是一个重要指标。不过究竟应该携带多少能量，对于不同的电动车还是有不同的。对于目前已经上路很久的油电双驱动混合动力车，因为有电和内燃两个发动机，电动部分只在车辆静止以及低速等情况下的时候才单独使用，其他情况下都主要依靠内燃发动机来工作，同时给电池充电，所以并不需要携带太多的电量，1-2度电的电量就可以了。而对于插入式的混合动力车，也就是既可以加油也可以充电的这种，一般在起始的一段距离完全依靠电动驱动，内燃机不起任何作用，等到电池电量降低到一定程度以后，内燃机才进行辅助或者仅进行充电。这样，这种车需要携带的电量就要多一些。根据所需要全电驾驶的行程距离不同，这类插入式混合动力车可以分成几类，命名的时候，也可以直接把这个距离写上去，比如PHEV10说的是可以全电模式下行驶10英里的车，PHEV40就是全电模式下可以行使40英里的车。根据这个全电模式下行驶的距离不同，所需要携带的电量也就不同，差不多是在6到30度的范围。对于全电车呢，因为任何状态下都是需要全电模式操作的，为了保证一定的行程，自然就需要携带更多的电量。有很多文献都认为全电车的行程应该在100-200英里的范围，那么差不多就需要携带30-50度电。全电模式行驶的距离再长，那么电池的重量就要太重了，能量效率，车辆本身的经济性，都会是问题。

这样，对电池的要求呢，就是携带同样的电量，电池本身体积越小也好，重量越小越好，这个指标就是单位重量以及单位体积可以储存的能量。这个指标直接决定了固定总重情况下，全电模式可以行驶的距离，当然也决定了需要行驶一定里程的话，所需要携带的电池的重量和体积，是设计电动车非常重要的一个参数了。不同电池的能量密度，数据来源不同还是有些区别的。按照wiki上面列出的数字，一般来说铅酸电池每公斤可以携带0.03到0.04度电，这样携带30度电就需要将近1000公斤，再加上结构支撑冷却系统管理系统等等辅助系统，整个电池系统的重要有可能达到1.5吨，电池本身与一辆中型车就相当；而磷酸铁锂电池可以携带的电量是每公斤0.08到0.12度，同样携带30度电，所需要的电池重量就少了一倍，只需要250-400公斤。这里面可以看出高能量密度的优势是非常明显的。有计算说车辆每增加100公斤的重量，每百公里电耗就需要增加0.6-0.7度，这样如果电池就多了500公斤重量，同样性能的车每百公里就要增加电耗3度多，差不多是增加15-20%的用电量了。体积能量密度也很重要，毕竟车的体积比较小，电池占据了太大的空间的话很是麻烦。还是wiki的数字，铅酸电池是在每升0.06-0.08度，磷酸铁锂电池在每升0.17度，这样计算每度电，铅酸电池的体积是12-17升，磷酸铁锂电池要6升，只有铅酸电池所需要体积的三分之一到一半。30度电呢，铅酸电池就需要400-500升，体积很惊人了，使用磷酸铁锂电池就能至少节省一半的体积，在车辆的狭小空间里面，应该是很重要的了。电池系统体积大，所需要的支撑结构就要大，也就会导致车辆的重量增加，对提高能量利用率不利。

另外一个重要指标，就是这个电池可以利用的能量是多少，所谓的放电深度。电池所携带的电不是所有都可以拿来使用的，至少说，在正常情况下，不是所有的都可以拿来使用的，过渡的放电会直接影响电池的使用寿命，应该是尽可能避免的。这个指标对于车辆的能耗本身影响不大，不过对于车辆所需要携带的电池的数量是有影响的。比如同样需要30度的可用电量，如果放电深度只有50%，那么实际上需要携带60度电，相应的电池重量也就要增加一倍，如果碰巧有人非要使用铅酸电池的话，整个电池系统的重量可能达到将近3吨，这可是惊人的重量。而如果放电深度能够达到70%，那么携带43度电就好了，比50%的放电深度节约了将近30%的重量。很明显这个指标直接关系到电池系统的重量。对于同样类型的电池，设计制造上的不同可以导致不同的放电深度，自然也会影响到电池本身的成本。一般这个指标都在65%或者70%的样子。

下面这个图是不同类型的电动车的电池工作曲线，蓝色的是HEV的，基本上在电池容量的40-60%的范围内工作。黄色的是PHEV的，先是放电到比较深的程度，比如超过65%，然后在一个范围内进行充放电循环。红色的是全电车的，因为没有大量能源的补充过程，所以基本上就是一个下降的过程。

外链图片需谨慎，可能会被源头改

然后就是输出功率。这个主要是对于在全电模式情况下提出的要求，这个时候车辆的动力完全依赖电力，就需要保证一定的输出功率，否则力量不够了，车可是走不动的，有再多的能量也没用。不同电池单位重量可以输出的功率也是不同的。还是引wiki的数据，铅酸电池的峰值输出功率是每公斤180W，磷酸铁锂电池可以达到每公斤1400W。比如同样输出50kW功率，也就是一个微型轿车需要的功率水平，铅酸电池需要的电池组重量要达到至少278公斤，磷酸铁锂电池至少需要36公斤,差距还是很明显的。

然后就是寿命。这个就是电池使用多久能不坏的问题。这方面，目前丰田的混合动力车对电池的保修好像是10年？报告说似乎用户认为15年会更好一些。和这个数字相关的是可充电次数。这个指标，不同种类的电动车要求也是很不同的，主要的原因就是不同种类的电动车的充电模式不同，特别是对深度充放电与微循环充放电两类充放电的次数的要求有区别。比如普通车辆使用的铅酸电池，可以充放电的次数至少有数万次，但是都是很浅幅度的充放电，一旦车辆启动就立刻充电进行补充，很少有进行深度放电的时候。所以实际上应用的这类铅酸电池，的确就是对深度充放电循环没有什么要求，但是对浅度的微循环充放电系数要求很高的。实际上这种电池在进行深度充放电的时候，能够经受的次数很少。往往一辆车如果很久没开，电池就会处于深度放电状态，如果电池质量相对不好，那么这块电池很可能就要报废了。但是因为实际需要并不高，实际上既是是很好的车用电池，对这个深度充放电循环的要求也不高。因为价格低廉，技术成熟，铅酸电池目前仍然是较大规模储存电的首选，比如太阳能发电、风能发电如果需要配备电池组，一般还是选用铅酸电池。甚至办公室里面比较常用的UPS，使用的大多仍然是铅酸电池。铅酸电池在做这类应用的时候，设计与普通车用的电池是很不同的，需要保证有足够的深度充放电循环次数。高尔夫球车使用的大都也是这类铅酸电池，基本上电池的使用寿命在2到5年，差不多是500-800次的深度充放电循环。

对于偶尔才需要全电模式行驶的油电混合动力车来讲，所需要的只是充放电幅度比较浅的充放电循环，对深度充放电次数并没有具体要求，与普通车对电池的要求还是很相似的。而对于需要经常进行全电模式运行的插入式混合动力车，一般认为至少要有2500次的深度充放电循环次数。这个要求应该是很基本的要求了，一个电池15年寿命的话，循环充电2500次，差不多就是2天一次了，如果车辆使用频繁，充电频繁，那么2500次是不能够保证15年的使用寿命的。插入式的混合动力车因为携带的电量小，需要深度充电的次数似乎要频繁一些，全电车的话，如果车主有经常充电的好习惯，很多时候都是在浅冲的，这个指标似乎可以放松，不过这也表示全电车的充电模式可能会更加复杂。这份报告里面没有提到具体指标。目前磷酸铁锂电池的深度循环充电次数差不多是2000以上，算是可以符合基本要求，不过距离更高的要求还有距离。实验室里面有一些电池达到了万次循环，一些种类的锂电池甚至可以达到4万次，不过那些技术距离工业应用还有一些距离，当然也是业界的努力方向。油电混合以及插入式混合动力车因为可能经常在微循环充放电的模式下操作，所以对于微循环的充放电次数的要求，怎么也需要二三十万次的。全电车对这方面的要求要小一些，不过也是有要求的。电动车比内燃车节省能源的一个方面，就是可以利用车辆减速、下坡等时候的能量，把这些能量补充到电池里面，这样，全电车也需要很多的微循环充放电，但是这个微循环充放电是在多个放电水平下实现的，要比油电混合和插入式的复杂。这样，对于电池就需要同时要求深度充放电次数和浅度充放电次数，而同时实现这两个指标有的时候会有比较矛盾的设计要求，就给电池设计增加了不少麻烦。

然后就是安全标准，以及热管理问题，是不是皮实等等。这里不谈。

然后就是充电速度。对于用户来说，充电当然是越快越好，但是一般来讲充电速度越快电池的寿命也就越短，这里面还是很复杂的。

其他还有全周期问题，比如生产电池的能耗，环境代价，回收代价等等。

最后就是价格。电池不能太贵，太贵了车子就太贵了。这个报告里面引用的锂电池的价格在每度电700-1000美元之间，这个价格仍然太贵了，30度电就需要2-3万美元。希望随着锂电池工艺成熟，市场扩大，这个价格能降下来，不过从过去的十年来看，这个价格比较稳定，很难说以后的市场会不会真得把价格降下来。一些报告估计的合理的价格应该在每度电300美元以下，这样30度电电池本身的价格就在1万美元以内，更加便宜一些。不过不同数据来源给出的价格数字相差很大。如果相信wiki的数字，wiki上说磷酸铁锂电池的价格是每美元0.7-3.0Wh，折合每度电300-1400美元，咱相信中国制造的成本在价格低端的话，的确这个价格就比较接近市场可以认可的价格了。

这些指标就是对电动车用电池的基本要求了，更加复杂豪华的要求还都没有涉及。这些指标里面有的是不能同时拥有的，需要互相妥协。

报告里面综合给出了不同种类的电动车对电池的要求，说目前市场上的混合动力车，使用的是镍氢电池，携带电量1.3度的样子，电池系统重量29公斤，总能量密度（包括电池的各种附件结构了）每公斤0.046度，每升0.2-0.35度，峰值功率是27-35kW，每公斤1.3kW，10-15年寿命，电池价格每度600欧元。

插入式混合动力车，要求全电行驶10-60英里，携带电量4-30度，电池系统重量70-190公斤，总能量密度每公斤0.11-0.16度，每升0.4-0.6度，峰值功率40-100kW，每公斤0.5-1.5kW，深度充放电循环次数要求2500次以上，10-15年寿命。使用锂电池，电池价格目前在每度电750-1500欧元。

全电车，要求行驶150-200英里，携带电量30-60度，电池系统重量200-500公斤，总能量密度每公斤0.11-0.16度，每升0.4-0.6度，每公斤输出功率1.5kW。

这里面可以看出，对于不同种类的电动车对电池性能的侧重有区别的。同时，这些研究机构提出来的车型，按照目前的电池研究水平，可能还要很大的进步才能进入真正的实用水平。当然有的电池已经能够满足大多数的指标要求，已经可以进行一些商业前期测试，积累更加丰富的数据了。有了这些更加接近实际情况的测试，就可以探讨这些要求的合理性，并有可能提出更加细致的要求来。