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电动车上的“三电”究竟是什么——电池篇

原创 编辑-沈嘉旭 2018-09-26 18:39:20
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“火”的出现让我们在蛮荒时代,得以由猿猴进化为人类。它改变了我们的饮食结构,让我们掌握了最基础的食物加工过程,在人类漫长的进化史中起到了至关重要的作用。

那么“电”之于人类的意义是什么呢?

从有“术士”这个职业开始人类就不断在尝试去了解电,但是成效甚微,直至十七世纪到十八世纪科学的发展,才让人类真正的了解到什么是“电”。这种电荷运动所带来的现象让我们的社会有了飞跃式前进,它赋予我们高效的生产和生活能力,成为了现代文明高速前进的动力源泉。

所以对于人类而言“火”=“生命”,“电”=“智慧”。

书归正传

如今“火”的使用场景之丰富毋庸置疑,它在我们日常生活中常见的载体可以有火柴、打火机、煤炭等等;而“电”在我们日常生活中的载体则统称为电池。

电池的发展史:

1746年,荷兰莱顿大学的马林布洛克发明了“莱顿瓶”。

1780年,意大利解剖学家伽伐尼通过青蛙实验的启发,研究出了特殊溶液配合金属发电的现象。

1799年,意大利物理学家伏特将伽伐尼的想法进一步推进,利用锡板和盐水发明了“伏特电堆”这是最早期的串联电池组。

1836年,英国人丹尼尔将“伏特电堆”改进,他将盐水替换为稀硫酸,并在电池电压下降后通以反向电流进行充电,得以反复使用,这种电池则被称为“蓄电池”。

1860年,法国的雷克兰士通过更换电池负极材质和使用氯化铵溶液为电解质的电池,将“湿电池”这个概念灌输到了人们的认知当中。

1887年,有了“湿电池”的基础,英国人赫勒森发明了最早的“干电池”,干电池的电解液为糊状,减少了溢漏的风险,利于携带。

1890年,大神爱迪生发明了可充电的铁镍电池。自此电池的进化史基本结束了,尽管人们至今还在投入大量的人力物力去推进电池的进化,但也只是通过更换不同的极化材质来增加电池性能,并没有实质的进步。

如今我们生活中的电池基本是以化学反应为原理进行发电,种类大致分为以下几种


类型:1号、5号、7号等常见电池

用电器:遥控器、钟表等家电

优点:便宜、安全且性质稳定、电池容量比早期的镍镉电池更大、寿命长,充电循环次数多、自放电率低。

缺点:镍氢电池存在记忆效应,使用不当会导致容量下降,耐高温能力差,过度充电有危险性


用电器:常用于手机、电脑等电子产品中

优点:能量密度大、电压高、自放电小、工作温度在-20°-60°、循环性能强、充放电率高、不含有毒物质。

缺点:价格高、维护成本高

用电器:车、船等

优点:便宜、电压稳定、便于维护、可靠性高

缺点:重量大、能量比低、寿命短

用电器:相机、手电等小型家电

用电器:电脑主板、手表等用电量小的地方

简单了解电池为何物之后,我们回归本文中心议题,电动车上的电池是什么。

从上述的介绍,相信您对电池的发展史和不同种类的电池性能有了大概的了解,基于上述结果,您觉得电动汽车会使用哪种电池呢?

下面我们来分析电动车对于电池的需求。

首先,电池体积要小,车厢内是寸土寸金的地方,肯定不会有人希望硕大的铅酸电池来挤占车内的乘坐、储物空间,所以铅酸电池PASS,留给我们的选项还有镍氢电池和锂电池(纽扣电池和化学干电池已经弃权回家了)。镍氢电池安全且有一定能量密度做保障,但是想要达到纯电续航满足日常所需,它的容量表现仍然不够,所以目前只出现在一些不依靠纯电驱动的混动车型上,例如日系的混动车型。

其次,想要跑的远,电量要跟得上。铅酸电池和镍氢电池在上轮的比拼中已经双双落选,留给我们的除了遥不可及的核电池外,也只有锂电池可以选择了,虽然锂电池的使用会存在一定的危险,但是它的容量和放电能力却能很好地满足纯电动汽车的需求,而纯电动车型中最出名的莫过于特斯拉家族的孩子们。由于锂电池优异的容量表现和充放电能力,以Model S P100D为例,它的续航能力可以超过500km,同时0-100km/h的加速成绩能达到3秒以内。当然作为优异性能的代价,它的官方售价超过了140万元,这其中电池组会占据成本相当部分的比例。

作为承载生命的工具,车辆的安全性无疑是要放在第一位置,那么特斯拉这种行业老大为什么会选择安全性能相对不高的锂电池作为动力来源呢?难道车辆的性能和商业价值相比生命更为重要?

答案是否定的,对于任何一家电动车厂家来说,安全都是第一生产力。那么下一个问题是,厂家是如何让锂电池安全和性能这个天平倾向于前者的呢?

要解决这个答案,我们需要再深入的了解一下锂电池。目前,锂电池分为两大阵营,分别是锂金属电池和锂离子电池。

锂金属电池采用二氧化锰为正极材料,金属锂或者其他合金为负极材料,采用非水解质的溶液,我们可以将它不严谨的理解为锂电池界的“干电池”,所以根据之前介绍的“干电池”的特性,它的安全性更高。

锂离子电池则使用的是锂合金金属氧化为正极材料,石墨为负极材料,使用非水电解质的电池,当然了,锂离子电池还会采用一些不同的正极材料,例如LiCo2、Li2Mn2O4等,不同的材质会有不同的能力,我们可以通过下面得表格简单了解一下。

由此可见,想要达到安全的目的,厂家自然会理性的选择锂金属电池来储备电能,这样一来我们还是以Model S为例,它所采用的电池是一种名为18650型的电池。18650电池与我们常见的5号电池类似,采用圆柱形结构,而它的名字则来源于它的尺寸信息,18650=18mm直径+65mm高度。(特斯拉 Model 3电池组已由18650型电池改为21700型电池)

由于18650有着规则的形状,所以它的电池仓设计更加简单,更有利于车辆设计和布局,同时它的个体小巧可以通过堆叠的方式,组成电池组以达到车辆更高的能源需求。

文章读到这里,我们现在需要时间来消化知识和思考问题。技术本来就是枯燥乏味的东西,相信能读到这里的您一定也和我一样对这些“课外”小知识充满了兴趣。如果您对电池篇的内容还想要了解更多,也可以在文章下方留言,或者来我的微博(@实习地球人沈嘉旭)和我一起讨论

作为知识的渴求者,我要给屏幕前的你留一个作业。我们在文章最后了解到车辆的锂电池组是可以通过数量堆叠来达到能量增强的,那问题是动则上百块的电池是如何统一管理的?以及电池和电机间是如何协调工作的?

这两个问题,我将会在下一篇《电动车“三电”是什么?——电调篇》-.中为您解答。

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