汽车与安全学术论文2019号

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随着新能源汽车市场越来越成熟，以及以往鼓励高能量密度动力电池的补贴政策即将退出，如今，中国新能源汽车动力电池的市场格局正在悄然发生变化。种种迹象表明，三元锂电池尽管仍是新能源乘用车动力电池的主要技术路线，但磷酸铁锂电池的回潮趋势正铺面而来。主机厂中，大众汽车计划收购以磷酸铁锂电池为主要业务的国轩高科的股权、特斯拉将采用无钴电池（磷酸铁锂是选项之一）；电池供应商方面，宁德时代推出CTP电池技术，有些品牌的纯电动车即将搭载由磷酸铁锂电芯集成的CTP电池包。在产品方面，包括奇瑞新能源、长城欧拉、新宝骏等品牌将推出搭载磷酸铁锂电池的纯电动车。显然，磷酸铁锂电池的回潮在所难免。3月29日，比亚迪发布了业界期待已久的“刀片电池”，并获得行业顶级专家的认可。“刀片电池”特殊的设计和结构能让磷酸铁锂电池进一步扬长避短，为比亚迪重塑动力电池市场格局增添砝码。作为全球最大的磷酸铁锂电池供应商，比亚迪借“刀片电池”正式拉开了反攻的序幕。“刀片电池”捍卫安全底线相比三元锂电池来说，以磷酸铁锂材料为正极的“刀片电池”最大的优势就是安全性能。比亚迪集团董事长兼总裁王传福在发布会现场放出豪言——“刀片电池”将把“自燃”这个词从新能源汽车的字典里彻底抹掉。尽管搭载磷酸铁锂电池的电动汽车也出现过自燃，但比例远远低于三元锂电池。新能源汽车国家大数据联盟2019年8月发布的《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》显示，2019年5-7月，新能源汽车国家监管平台共发现了79起新能源汽车安全事故，已查明原因的着火事故中，58%的车辆起火源于电池问题，而其中86%的事故车辆使用的是三元锂离子电池，7%的事故车辆使用的是磷酸铁锂电池。从动力电池不同正极材料的电化学性能来看，磷酸铁锂材料的热稳定性优于三元锂材料，因此引发电池热失控的风险较小，热失控是导致动力电池燃烧、爆炸继而引发整车安全事故的主要因素。而“刀片电池”特殊的形状和结构设计进一步提升了磷酸铁锂电池的安全性能。比亚迪现场展示的一段“针刺实验”的视频充分展示了这一点。“针刺测试”是业界公认的最严苛的电池安全检测项目，模拟的是电池被贯穿导致内短路这种极度危险情况下的整车安全。视频显示，在同样测试条件下，三元锂电池在针刺瞬间出现剧烈温升，表面温度迅速超过500℃并发生剧烈爆燃；传统磷酸铁锂块状电池无明火、有烟，表面温度达到200℃-400℃；“刀片电池”在被钢针穿透后无明火、无烟，电池表面温度只有30℃-60℃左右。中国科学院院士、新能源汽车领域顶级专家欧阳明高表示，“刀片电池”散热面积大（单个电芯最长达到5m，也更薄），短路的回路比较长，产热能力会相对下降。在产热下降同时散热面积大，所以在“针刺实验”中表现优异。除了“针刺测试”以外，在挤压测试中，刀片电池发生形变后也相对稳定，即使断裂后仍没有起火。在炉温测试中，将“刀片电池”从常温加热到300度时仍没有起火。在过充测试中，“刀片电池”过充260%后也没有起火。不过，对于“刀片电池”的安全问题，行业内也有疑问，比如电芯又长又薄，强度可能不够，从而增加单个电芯和整个电池包的形变风险。对此，比亚迪集团副总裁兼弗迪电池董事长何龙表示，“刀片电池”包拥有超级强度。每一片“刀片电池”都既是能量体又是结构体，每片电池都是一个结构件。传统电池包内部有4-5根梁，而“刀片电池”包里面的100个电池就相当于100个梁，再加上电池堆上下两面粘贴了两块高强度的蜂窝铝板，进一步增加了电池包的强度。兼顾高能量密度和长续航除了高安全性能以外，“刀片电池”也弥补了传统磷酸铁锂电池能量密度不足的短板，尤其是体积比能量密度，已经接近811三元锂电池的水平。传统的电池包构成是先将电芯组成模组，再将模组排布在托盘上，通过一些结构件固定和连接，最终组成电池包。模组内部也有结构件，电池空间利用率只有80%。从模组到电池包，空间利用率只有50%，总体来说整个电池包的空间利用率只有40%。对于“刀片电池”包来说，每一片电池都既是能量体也是结构件，相当于电池包内部的梁，解决了固定问题和结构问题，电池包空间利用率达到60%，空间利用率提升了50%。由于空间利用率提升，相同体积的“刀片电池”包内可以布置更多容量的电芯，从而增加电动汽车的载电量，提高车辆续航里程。以比亚迪汉EV为例，单次充电后NEDC综合工况续航里程达到605公里，已经与目前搭载三元锂电池的纯电动汽车的续航上限不相上下。另外，“刀片电池”拥有超长循环寿命，循环充放电次数可以达到3000次以上，相当于超过120万公里的行驶里程。“刀片电池”能夺回新能源乘用车市场吗？欧阳明高认为，“刀片电池”在安全性、体积比能量密度和成本方面都有优势。那么，“刀片电池”能够逆转目前三元锂电池主导新能源乘用车市场的竞争格局吗？中国汽车动力电池产业创新联盟的数据显示，2018年，中国动力电池总装车量为9 GWh，三元锂电池和磷酸铁锂电池分别占1%和39%。2019年，三元锂电池的市场份额提升至2%，磷酸铁锂电池降至5%。2020年1-2月，三元锂电池装车量进一步提升至1%，磷酸铁锂电池装车量则降至4%。虽然磷酸铁锂的市场份额不断下滑，但事情正在起变化。从产量来看，今年1-2月中国动力电池总产量为7GWh，其中，三元锂电池产量8GWh，占比9%；而磷酸铁锂电池产量9GWh，占比6%。后者产量已经超过前者。EV世纪认为，过去两年磷酸铁锂电池的装车量之所以连续下滑主要是因为补贴政策以电池能量密度为主要标准，不断推高能量密度占优势的三元锂电池的市场份额。另外，磷酸铁锂电池主要搭载商用车，市场空间较小。在新能源乘用车市场，主要配套A级以下的小型或者微型车，而这两个级别车型的市场也处于萎缩状态。而随着“刀片电池”的诞生，磷酸铁锂电池能量密度低、整车续航短的局面将得到根本扭转。不仅是小微型纯电动车，即使是更加主流的A级轿车或者紧凑型SUV等车型，甚至是比亚迪汉EV这样的C级车搭载“刀片电池”后续航里程也能满足用户需求。再加上高安全性能和成本优势，“刀片电池”完全可以从三元锂电池手中夺回属于自己的市场份额，重塑动力电池市场的竞争格局。总结：王传福认为，过去几年对动力电池能量密度不切实际的追求，带偏了新能源汽车的发展路线，新能源乘用车安全口碑付出了惨重代价。而“刀片电池”要将动力电池发展引回正道。这一点直击电动汽车安全这个用户最大的痛点。从技术特点和优势来看，“刀片电池”毫无疑问对其他汽车厂家具有吸引力。根据目前的公开信息，比亚迪动力电池已经获得东风、丰田、奔驰等外部客户，不久前获得了初创电动汽车公司——理想汽车的订单。而弗迪电池等5家新成立不久的弗迪公司将拥有更多自主权，从而加速推动比亚迪动力电池业务的独立。据了解，弗迪电池重庆工厂年产能将达到20GWh。在3月29日的发布会上，比亚迪集团副总裁兼弗迪电池董事长何龙表示“几乎你能想到的所有汽车品牌，都在和我们探讨基于‘刀片电池’技术的合作方案”。可见“刀片电池”的受欢迎程度。在中国新能源汽车市场愈发成熟，用户需求越来越多样并且对安全的追求一如既往的背景下，我们完全有理由相信“刀片电池”会有一席之地。本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。