特斯拉纯电动汽车为何也用铅酸电池而不用锂电?

发布者:乐观向前最新更新时间:2020-12-24 来源: eefocus关键字:特斯拉  电池  超级电容器  石墨烯 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

电动自行车属于低速车,乃中国首创,其保有量已接近 3 亿辆,年产值超过千亿元,创下“世界第一”。虽然以锂电电动自行车为代表的凤凰高端产品最近开始走俏欧洲,但这种低速电动车绝大多数还都用铅酸电池。为什么不用重量更轻、体积更小的锂电池呢?


特斯拉当然不是低速电动车,除了安装在前后轴之间底盘位置重达 900 公斤的“压舱石”动力电池组,还有一块人们几乎看不到的 12V 铅酸蓄电池。其实,混合动力或插电混合动力车也仍然在用燃油车相同的铅酸蓄电池供电,不管是什么车,如果长久放置蓄电池严重亏电,车辆依然打不着火。


看来这古老的铅酸电池还是不可或缺!其实,马斯克早就想替掉它……今天就聊聊为什么一百多年历史的铅酸电池还在搭载新一代电动汽车?有没有一种有效的替代方案?

 

 

纯电动汽车为什么还要铅酸电池?


1860 年,法国人普兰特(G.Plante)发明了铅酸蓄电池。直到 13 年后直流发电机问世,铅酸蓄电池才逐步走向实用化。1910 年起,汽车蓄电池开始用于启动、照明、点火,使铅酸蓄电池生产得以发展;电话业也开始采用铅酸蓄电池作为安全、可靠并能使用多年的备用电源。直到今天,铅酸蓄电池都广泛用于汽车、摩托车、铁道、矿山、通信等领域。


铅酸电池没有被锂电池替代的原因在于:锂电池制造复杂,成本是铅酸电池的两三倍,出厂价格更贵;铅酸电池技术更加成熟,稳定性更好。


那为什么根本不差钱的特斯拉也在使用铅酸蓄电池呢?以 Model X 为例,看看这个与传统燃油车一样的 12V 铅酸电池。


用户手册所见,Model X 也会出现蓄电池故障无法启动的情况。这不一定是锂电池组的问题,而只是蓄电池没电了。

 


Model X 和燃油车的电池故障标识

 

这时车辆就会进入一个死循环:
蓄电池没电→无法打开门 / 机舱盖 / 充电盖→无法搭电→无法启动车辆;使用 APP/ 钥匙也是这样,无法进入车内……就没有一个物理解锁方法,让车主进入车内?在网上搜索“特斯拉没电怎么开门?”好奇怪!所有网页都一样——404!

 


“特斯拉没电怎么开门?”无解

 

不过,还是找到了一篇文章,介绍了一种用于救援的方法:将牵引钩孔里两根线拉一下,机舱盖就会打开(盗窃风险),车也会响起警报。打开后给蓄电池充点电或搭电,门就能打开了。至于老款车型,老司机说,要打开整个黑色中网,才能看见能打开前备箱的“机关”。


看来,要想通过搭电方法启动 Model X 还真不太容易。这里,假设可以打开机舱盖,之后看到的是储物用的前备箱(其他纯电动车都没有,褒贬不一),拆卸其上面的盖板,才能看到位于制动液补液口下方的蓄电池及正负极接线柱。看上去,在 Model X 中,蓄电池的作用和燃油车别无二致。

 


Model X 蓄电池就在前备箱盖板下

 

有点扯远了,言归正传。


铅酸电池是弱电电池,正常情况下是由锂电池充电的,主要是在发动机(燃油车)或动力电池没有供电之前,为车载电子设备的正常使用提供电力,例如遥控钥匙识别、车辆解锁及仪表大屏显示等,和普通燃油车电池供电原理一样。正常情况下,动力电池和 12V 蓄电池相连,如果蓄电池亏电,动力电池可以为它充电。


也就是说,高压动力电池一定要有一个低压电源来配合。经验告诉我们,当你开着收音机发动汽车时,在发动机点火瞬间,收音机都会断一下,灯光也是这样。说明什么?自己琢磨一下。


那为什么这个小电源一定是 12V 铅酸电池,而不是 12V 锂电池呢?除了上面说的便宜,还有以下原因:
·低温功率输出特性:在零下 20℃也可以顺利启动,质量稳定,可靠性高;
·供应链成本低:12V 铅酸电池技术成熟,供应商多;
·维修更换方便:不需要专供产品;
其缺点是形状体积和重量比锂电池大,不过一辆车只需要一块蓄电池,并不像动力锂电池那么多。

 

超越锂电池另辟蹊径


为了提高燃油效率,减少对石油的依赖,汽车行业面临着越来越大的压力,电气化是一个必然趋势。其前提是解决方案必须能够满足对高性能、可靠性和安全性的严格要求。


有一种技术既可以提供高功率密度、安全性和使用寿命,又可以像铅酸电池那样稳定可靠。它就是超级电容器(又名双电层电容器),它已为今天的混合动力和电动汽车的发展做好了准备。超级电容器可以与电池并联,利用能量密度和功率密度的优势,创建一个更高效、更稳健的完整电气系统。

 


小体积迸发出大能量

 

先来看超级电容器不如锂电池的地方:锂电池和超级电容器好比马拉松选手和短跑运动员,在长距离行驶时前者可以提供较长时间稳定的放电;后者则没有那么大耐力,只能在短时间释放大量能量。


作为备用电源,超级电容器的优点是:安全可靠,无烟、无火焰,终身免维护,而且无需过大尺寸,不必为了像蓄电池那样留有更换空间。

 

超级电容器替代的应用场景


    超级电容器能不能替代传统铅酸蓄电池呢?以下一些应用场景很能说明问题。
·12V 启停应用:蓄电池退化可造成发动机启动不顺畅;较高 ESR(等效串联电阻)会降低蓄电池寿命;频繁的启 - 停循环会降低电池性能;低温也会限制其功能。
在发动机启动时,需要提供瞬间大电流,我们把超级电容器安装在蓄电池和起动机之间,这意味着蓄电池与起动机断开。作为发动机启动模块的超级电容器始终为发动机提供启动动力,而电池只需为灯光、空调、暖风等提供能量。超级电容器具有最低 ESR 和业界最高的功率密度,可确保更长的使用寿命,适合快速起动,具有 -40 至+65℃的全功率性能,更适合这种“一锤子”场景。

 


启停应用

 

铅酸电池的质量能量为 32-37Wh/kg,美国标准为 41Wh/kg;而目前已接近量产的第三代超级电容器已大于 60Wh/kg,适用于燃油车和 xEV 平台使用。
·电动助力转向系统(EPS)和电子制动(EBS):镍氢、锂离子电池在“正常状态”下没有可用于可靠表征的操作信号,因此难以确定 SOH(健康状况)和 SOF(功能状态)。而超级电容器适合作为辅助能源使用。

 


电动助力转向系统和电子制动

 

·再生制动能量吸收(ESP):快速放电并不是超级电容器带来的唯一优势,它也可以更快地(15 秒内)充电,是可靠性最高的技术。目前的解决方案采用液压或电池吸收再生能量,因为是零星作业,平均电力需求大于峰值 1kW 和大于 300W,且需要快速充放电循环,容易出现再生能量无法吸收,造成瞬变的情况。超级电容器的低电阻可以确保操作过程中的低自加热,提高可靠性。

 


再生制动能量吸收

 

·电催化剂加热:目前的解决方案是利用三元催化转化器燃烧燃料的办法来加热废气,30 秒平均需要 3kW 功率,每 KL15(发动机点火信号)循环激活一次,在凉车情况下,电池无法满足性能要求。超级电容器具有优良的低温功率性能,非常适合这种场景。

 


电催化剂加热

 

·制动能量再生(BERS):铅酸蓄电池(EFB 或 AGM 型,材料不同)的快速充放电循环需要大于 3kW 峰值和大于 200W 平均功率。因为安装在发动机舱内,电池寿命一般情况下不超过两年;在较低温度下,电池充电接受能力差,且尺寸过大。超级电容器在较低温度下具有优异的功率性能和充电接受能力,不受充电吞吐量影响,免维护,更适合这一场景。

 


制动能量再生

 

超级电容创新加速电动汽车革命

 


超级电容器制造

 

电动汽车需要有储存电能的装置,电池和超级电容器都有此功能。电池充电相对缓慢,放电也缓慢。超级电容器充电快,放电也快。电池能够储存大量能量,超级电容器是少量储能的最佳选择。归根结底,电池在某些方面比超级电容器做得更好,而超级电容器在某些方面优于电池。

 


超级电容器与电池比较

 

未来几年,超级电容器可能会取代目前所有电动汽车使用的铅酸电池,用于储存日常功能(操作门锁、提供内部照明等)所需的电力。他们还有助于电动汽车 OEM 用来做最擅长的事情——快速充放电,同时让主动力电池(锂电池)做它最擅长的事情——让汽车在路上行驶得更远。


彭博新能源财经(Bloomberg New energy Finance)储能分析师 James Frith 表示:“多年来,人们对超级电容器产生了很大兴趣,问题是锂电池的价格下降得很快,不过,汽车市场肯定有很多领域可以找到后者的应用。”他暗示,马斯克也钟爱超级电容器,特斯拉自主研发的新电池将是干电池技术+超级电容组合,如果在其产品中采用,那么超级电容器肯定会成为未来电动运输领域的一部分,在这一领域,几乎每天都有改进。


据报道,Skeleton Technologies 一直在努力研发能够取代传统汽车铅酸电池的先进超级电容器。首席执行官 Taavi Madiberk 承认,超级电容器还没有锂电池那样的能量密度,但他认为这项技术一直在进步。目前,其产品能量密度已达每升 60Wh/L。他说:“我们已经在与几家汽车 OEM 进行讨论,他们都希望摆脱汽车中笨重的铅酸电池。”

 


Taavi Madiberk

 

“有时人们认为铅是一个过去的问题,因为它与内燃机有关,但实际上所有电动汽车都有 12V 铅酸电池,”他说。“我们正在研究一种可行的替代方案来取代所有的铅酸电池。”


据介绍,1999 年,锂电池每千瓦时的价格约为 5000 美元,如今已不到 200 美元;而特斯拉现在的电池价格可能在 100 美元以下。超级电容器的成本也将经历类似的快速下降。


据 TechExplorist 报道,伦敦大学学院和中国科学院的科学家已开发出一种新型柔性石墨烯超级电容器,可以安全地高速充电,积累创纪录的能量,并能长期储存。

 


新型柔性石墨烯超级电容材料

 

新的超级电容器使用了一种创新的多层石墨烯电极,可以弯曲 180 度而不失去性能,且不需要液体电解质,从而将爆炸风险降至最低。研究小组开发的原型电池能量密度为每升 88.1Wh/L。此外,科学家们声称,他们的发明功率密度为每升 10000W,在 5000 次充放电循环后仍能保持 98.7%的容量。


伦敦大学学院数学与物理科学系主任兼化学系教授 Ivan Parkin 表示:“在一个紧凑系统中安全地存储大量能量,是改进能量存储技术迈出的重要一步。新的超级电容器充电快,能够控制其能量输入,还具备良好的耐用性和灵活性,是搭载微型化电子产品和电动汽车的理想选择。想象一下,只需 10 分钟就可以为电动汽车充满电是什么样的体验。”

 


Ivan Parkin

 

Ivan Parkin 介绍,这种新的电容比铅酸电池轻得多,体积也小得多,可以取代目前所有电动汽车使用的 12V 标准电池。


当然,这个新的超级电容器只是一个原型,是否商业上可行还有待验证。如果可行,可能要过几年才能被汽车 OEM 接受。不过,随着电动汽车革命的继续,这是一个值得关注的点。

 

最后的归纳


汽车是一个恶劣环境,包括极宽温度范围、机械振动、噪声、气体污染,以及瞬变电压、大电流等的潜在风险。而这些正是影响现代汽车功能稳定性、可靠性和驾驶体验的重要因素。据说,欧洲航天局(ESA)已在恶劣的太空环境中进行了超级电容器测试,相信它比汽车的环境更加严苛。


再看看超级电容器对汽车意味着什么?可靠起动、降低油耗(或主电池功耗)、延长电池寿命、无障碍一次性投资、体积小、重量轻、易于安装。而这些似乎已经足够了!


关键字:特斯拉  电池  超级电容器  石墨烯 引用地址:特斯拉纯电动汽车为何也用铅酸电池而不用锂电?

上一篇:比亚迪调研公告:加快推进半导体业务拆分上市
下一篇:LG电子携手麦格纳成立合资公司,主营电动汽车零部件业务

推荐阅读最新更新时间:2024-11-09 18:10

投资20亿 亿纬锂能在惠州打造千亿级新能源电池产业集群!
  1月29日,惠州亿纬锂能股份有限公司与惠州市人民政府签署战略合作框架协议。市委副书记、市长温金荣,副市长黎炳盛,市政协副主席、市政府秘书长陈东照,仲恺高新区委书记吴献民,市工业和信息化局局长伞金福;惠州亿纬锂能股份有限公司董事长刘金成、西藏亿纬控股董事长骆锦红、惠州亿纬锂能股份有限公司总裁刘建华、副总裁李沐芬、人力资源总监黄国民等出席签约仪式。   协议约定,亿纬锂能及控股企业投资不低于20亿,用于在惠州本地的研发创新投入,加大博士等高级人才引进,打造具有国际领先技术水平和影响力的储能动力研发基地及关键材料研发中心,推动惠州市石化产业与电子信息产业深度融合等。当土地供应、能源供应等满足项目落地条件时,到2025年亿纬
[新能源]
比亚迪是如何布局电子产业的?
你或许不知道:比亚迪是做电池起家的。更鲜为人知的是,比亚迪还从事了二次充电池及光伏、手机部件及组装,以及包含传统燃油汽车及新能源汽车在内的汽车等业务。此外,比亚迪在上游芯片领域也早有布局。 2003年前后,比亚迪就已经通过旗下的比亚迪微电子切入集成电路和功率器件开发业务,其芯片矩阵发展至今已初具规模。 布局比亚迪微电子,初现锋芒 比亚迪微电子成立以后,比亚迪公司对电源保护IC等产品进行了开发。 2008年,王传福宣布斥资近两亿收购了宁波中纬半导体这个当年业界知名的“烂摊子”,谁也不知道王传福收购这个企业的真正用意,是借此进入半导体代工领域还是用于电动汽车的驱动电机的研发和生产,以便控制整个电动汽车产业链,我们不得而知。 对全球
[汽车电子]
电池革命大力推动汽车革命
导读:近日,中国电动汽车百人会副理事长兼秘书长、首席专家张永伟应邀在第一财经发表署名文章,就新能源汽车动力电池产业发展发表看法,以下为原文内容。 新能源汽车正处于高速增长的通道。今年上半年,我国新能源汽车销量实现115%的增长,市场占有量达到21.6%。整体来看,全行业已经开始从量变进入到质变阶段。一些国际汽车巨头纷纷发布停售燃油车的时间表,部分国内车企也提出到2025年全面停售燃油车的计划。在创新方面,2021年,我国汽车专利公开量为32万件,其中新能源汽车、智能网联汽车专利占比达43.4%。 种种迹象表明,汽车产业格局正在发生重大变化。新能源汽车正在从过去作为产业转型的先锋力量,进一步发展成为汽车产业创新发展的主导性力
[嵌入式]
蜂巢能源钠离子电池专利曝光:三明治层叠结构,循环寿命突破2000
近日,前沿君发现蜂巢能源科技股份有限公司公开了一件钠离子电池相关发明专利。 钠离子电池近来备受关注。 一方面是随着新能源产业的快速发展,锂盐价格快速的上升,导致原料的成本价格急剧的增加,而钠离子电池所需的钠资源极其丰富,且制造工艺成熟,成本低廉。 另一方面,钠离子电池安全性相对锂电池高,由于其内阻比三元锂、磷酸铁锂电池都要稍微高一些,内部短路时瞬间发热较弱,能够经受住针刺、挤压试验而不起火、不爆炸,这一点堪比刀片电池。 再者,钠离子电池低温性能更好,其在零下30度电池能量保持率约为81%,而磷酸铁锂电池同等条件下能量保持率只有60%。 但是钠离子电池也存在一些问题,首当其冲的能量密度。由于原子半径比锂大,质量也
[汽车电子]
蜂巢能源钠离子<font color='red'>电池</font>专利曝光:三明治层叠结构,循环寿命突破2000
工信部召集换电模式企业杭州研讨 或催生车电分离新政与动力电池标准统一
杭州,中国 电动汽车 换电模式起步的实验城市,也是目前换电车辆应用最多的城市。 7月31日,工信部装备司由副司长罗俊杰带队,在杭实地考察了时空电动的旗舰换电站。该站主要服务于网约车,可以做到“三分钟换电”。随后,装备司召集了北汽、时空电动、蔚来、伯坦科技等应用换电模式的企业进行了研讨,国家电网、中国汽车工业协会等相关企业与行业组织,奇瑞等车企一并参与。据参会企业代表介绍,会议内容已涉及未来车电分离法规、电池标准统一趋势等实质性讨论。 当前换电模式集中于运营车辆服务 换电模式不是新生事物。以调研组到访的时空电动为例,其首个换电站建于2014年,旗舰站建于2016年,在全国已经积累了数亿公里的换电实途里程。 “这是市
[汽车电子]
iPhone 8充电时惊现爆裂 电池与Note7同厂
  最近iPhone 8真是多灾多难,一夜之间iPhone8退货无数,股价在短短两周内蒸发了超500亿美元。屋漏偏逢连夜雨!刚刚,iPhone 8 Plus又被曝出大问题,接连在日本、中国台湾出现首爆。    iPhone 8 Plus在中国台湾、日本二连爆   据台湾“东森新闻网”28日报道, 苹果 新款手机在台首爆。台湾一名消费者给刚入手3天的iPhone 8 Plus充电时,手机外壳突然爆裂。   台湾媒体称,这名消费者在手机电量还剩70%时插线充电,3分钟后手机爆裂,但没听到任何爆裂的声响。手机背板和屏幕明显从内部裂开,边框也脱离外壳,电池疑不明原因膨胀,裂缝约0.5公分。   消费者自称,购入i
[手机便携]
iPhone 8充电时惊现爆裂 <font color='red'>电池</font>与Note7同厂
动力电池攻守战 | 中国动力电池五年硬核“成绩单”
二线 动力电池 厂商或将迎来新一波“军阀混战”,行业未来将会持续洗牌。 2022全球 新能源汽车 动力 电池 发展研究 新能源汽车动力电池产业链漫长,上中下游企业供需关系和竞争态势错综复杂。本报告从全球角度扫描核心和潜力玩家,挖掘企业战略布局、分析技术研发路径,解析企业运营思路,并深层剖析关于 特斯拉 、 宁德时代 、 比亚迪 等企业的经典案例。结合全球能源革命的主旋律,报告分析了车企主动学习动力电池技术背后的原因,预测了美国新能源汽车市场的发展潜能,构建“锂自足、锂循环”的完美生态闭环,最终完成对未来产业链发展前景的预测和展望。 随着新能源汽车市场的飞速增长,动力电池产业也随之崛起。经历了一轮又一轮的市场争夺
[汽车电子]
电池隔膜行业发展趋势:将保持30%高速增长
受动力电池需求拉动,隔膜行业至2020年预期30%增速。下面就随电源管理小编一起来了解一下相关内容吧。 锂电池隔膜是多方面影响锂电池性能的四大关键材料之一,而锂电池的下游需求主要来自消费类电池、动力电池和锂电储能三大领域。 消费类电子产品是锂电池自商用以来最主要的应用领域,主要包括手机、笔记本电脑、平板电脑等传统3C数码类需求,以及导航设备、可穿戴设备等新兴需求;传统3C数码类需求缓慢下滑,新兴消费类需求较快增长;整体而言,应用于消费类锂电池的隔膜将保持约5%增速。 动力电池受到新能源汽车需求爆发的直接拉动,2014年以来其出货量也呈现同步高速增长态势;按政策规划至2020年新能源汽车年产量达200万辆,因此预计至2020年动力
[电源管理]
小广播
最新嵌入式文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件

 
EEWorld订阅号

 
EEWorld服务号

 
汽车开发圈

电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved