特斯拉純電動汽車也用鉛酸電池？為啥不用鋰電？

電動自行車屬于低速車，乃中國首創(chuàng)，其保有量已接近 3 億輛，年產(chǎn)值超過千億元，創(chuàng)下“世界第一”。雖然以鋰電電動自行車為代表的鳳凰高端產(chǎn)品最近開始走俏歐洲，但這種低速電動車絕大多數(shù)還都用鉛酸電池。為什么不用重量更輕、體積更小的鋰電池呢？

特斯拉當(dāng)然不是低速電動車，除了安裝在前后軸之間底盤位置重達(dá) 900 公斤的“壓艙石”動力電池組，還有一塊人們幾乎看不到的 12V 鉛酸蓄電池。其實，混合動力或插電混合動力車也仍然在用燃油車相同的鉛酸蓄電池供電，不管是什么車，如果長久放置蓄電池嚴(yán)重虧電，車輛依然打不著火。

看來這古老的鉛酸電池還是不可或缺！其實，馬斯克早就想替掉它……今天就聊聊為什么一百多年歷史的鉛酸電池還在搭載新一代電動汽車？有沒有一種有效的替代方案？

純電動汽車為什么還要鉛酸電池？

1860 年，法國人普蘭特（G.Plante）發(fā)明了鉛酸蓄電池。直到 13 年后直流發(fā)電機問世，鉛酸蓄電池才逐步走向?qū)嵱没?910 年起，汽車蓄電池開始用于啟動、照明、點火，使鉛酸蓄電池生產(chǎn)得以發(fā)展；電話業(yè)也開始采用鉛酸蓄電池作為安全、可靠并能使用多年的備用電源。直到今天，鉛酸蓄電池都廣泛用于汽車、摩托車、鐵道、礦山、通信等領(lǐng)域。

鉛酸電池沒有被鋰電池替代的原因在于：鋰電池制造復(fù)雜，成本是鉛酸電池的兩三倍，出廠價格更貴；鉛酸電池技術(shù)更加成熟，穩(wěn)定性更好。

那為什么根本不差錢的特斯拉也在使用鉛酸蓄電池呢？以 Model X 為例，看看這個與傳統(tǒng)燃油車一樣的 12V 鉛酸電池。

用戶手冊所見，Model X 也會出現(xiàn)蓄電池故障無法啟動的情況。這不一定是鋰電池組的問題，而只是蓄電池沒電了。

Model X 和燃油車的電池故障標(biāo)識

這時車輛就會進(jìn)入一個死循環(huán)：
蓄電池沒電→無法打開門 / 機艙蓋 / 充電蓋→無法搭電→無法啟動車輛；使用 APP/ 鑰匙也是這樣，無法進(jìn)入車內(nèi)……就沒有一個物理解鎖方法，讓車主進(jìn)入車內(nèi)？在網(wǎng)上搜索“特斯拉沒電怎么開門？”好奇怪！所有網(wǎng)頁都一樣——404！

“特斯拉沒電怎么開門？”無解

不過，還是找到了一篇文章，介紹了一種用于救援的方法：將牽引鉤孔里兩根線拉一下，機艙蓋就會打開（盜竊風(fēng)險），車也會響起警報。打開后給蓄電池充點電或搭電，門就能打開了。至于老款車型，老司機說，要打開整個黑色中網(wǎng)，才能看見能打開前備箱的“機關(guān)”。

看來，要想通過搭電方法啟動 Model X 還真不太容易。這里，假設(shè)可以打開機艙蓋，之后看到的是儲物用的前備箱（其他純電動車都沒有，褒貶不一），拆卸其上面的蓋板，才能看到位于制動液補液口下方的蓄電池及正負(fù)極接線柱?？瓷先?，在 Model X 中，蓄電池的作用和燃油車別無二致。

Model X 蓄電池就在前備箱蓋板下

有點扯遠(yuǎn)了，言歸正傳。

鉛酸電池是弱電電池，正常情況下是由鋰電池充電的，主要是在發(fā)動機（燃油車）或動力電池沒有供電之前，為車載電子設(shè)備的正常使用提供電力，例如遙控鑰匙識別、車輛解鎖及儀表大屏顯示等，和普通燃油車電池供電原理一樣。正常情況下，動力電池和 12V 蓄電池相連，如果蓄電池虧電，動力電池可以為它充電。

也就是說，高壓動力電池一定要有一個低壓電源來配合。經(jīng)驗告訴我們，當(dāng)你開著收音機發(fā)動汽車時，在發(fā)動機點火瞬間，收音機都會斷一下，燈光也是這樣。說明什么？自己琢磨一下。

那為什么這個小電源一定是 12V 鉛酸電池，而不是 12V 鋰電池呢？除了上面說的便宜，還有以下原因：
·低溫功率輸出特性：在零下 20℃也可以順利啟動，質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高；
·供應(yīng)鏈成本低：12V 鉛酸電池技術(shù)成熟，供應(yīng)商多；
·維修更換方便：不需要專供產(chǎn)品；
其缺點是形狀體積和重量比鋰電池大，不過一輛車只需要一塊蓄電池，并不像動力鋰電池那么多。

超越鋰電池另辟蹊徑

為了提高燃油效率，減少對石油的依賴，汽車行業(yè)面臨著越來越大的壓力，電氣化是一個必然趨勢。其前提是解決方案必須能夠滿足對高性能、可靠性和安全性的嚴(yán)格要求。

有一種技術(shù)既可以提供高功率密度、安全性和使用壽命，又可以像鉛酸電池那樣穩(wěn)定可靠。它就是超級電容器（又名雙電層電容器），它已為今天的混合動力和電動汽車的發(fā)展做好了準(zhǔn)備。超級電容器可以與電池并聯(lián)，利用能量密度和功率密度的優(yōu)勢，創(chuàng)建一個更高效、更穩(wěn)健的完整電氣系統(tǒng)。

小體積迸發(fā)出大能量

先來看超級電容器不如鋰電池的地方：鋰電池和超級電容器好比馬拉松選手和短跑運動員，在長距離行駛時前者可以提供較長時間穩(wěn)定的放電；后者則沒有那么大耐力，只能在短時間釋放大量能量。

作為備用電源，超級電容器的優(yōu)點是：安全可靠，無煙、無火焰，終身免維護(hù)，而且無需過大尺寸，不必為了像蓄電池那樣留有更換空間。

超級電容器替代的應(yīng)用場景

?? ?超級電容器能不能替代傳統(tǒng)鉛酸蓄電池呢？以下一些應(yīng)用場景很能說明問題。
·12V 啟停應(yīng)用：蓄電池退化可造成發(fā)動機啟動不順暢；較高 ESR（等效串聯(lián)電阻）會降低蓄電池壽命；頻繁的啟 - 停循環(huán)會降低電池性能；低溫也會限制其功能。
在發(fā)動機啟動時，需要提供瞬間大電流，我們把超級電容器安裝在蓄電池和起動機之間，這意味著蓄電池與起動機斷開。作為發(fā)動機啟動模塊的超級電容器始終為發(fā)動機提供啟動動力，而電池只需為燈光、空調(diào)、暖風(fēng)等提供能量。超級電容器具有最低 ESR 和業(yè)界最高的功率密度，可確保更長的使用壽命，適合快速起動，具有 -40 至+65℃的全功率性能，更適合這種“一錘子”場景。

啟停應(yīng)用

鉛酸電池的質(zhì)量能量為 32-37Wh/kg,美國標(biāo)準(zhǔn)為 41Wh/kg；而目前已接近量產(chǎn)的第三代超級電容器已大于 60Wh/kg，適用于燃油車和 xEV 平臺使用。
·電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）和電子制動（EBS）：鎳氫、鋰離子電池在“正常狀態(tài)”下沒有可用于可靠表征的操作信號，因此難以確定 SOH（健康狀況）和 SOF（功能狀態(tài)）。而超級電容器適合作為輔助能源使用。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子制動

·再生制動能量吸收（ESP）：快速放電并不是超級電容器帶來的唯一優(yōu)勢，它也可以更快地（15 秒內(nèi)）充電，是可靠性最高的技術(shù)。目前的解決方案采用液壓或電池吸收再生能量，因為是零星作業(yè)，平均電力需求大于峰值 1kW 和大于 300W，且需要快速充放電循環(huán)，容易出現(xiàn)再生能量無法吸收，造成瞬變的情況。超級電容器的低電阻可以確保操作過程中的低自加熱，提高可靠性。

再生制動能量吸收

·電催化劑加熱：目前的解決方案是利用三元催化轉(zhuǎn)化器燃燒燃料的辦法來加熱廢氣，30 秒平均需要 3kW 功率，每 KL15（發(fā)動機點火信號）循環(huán)激活一次，在涼車情況下，電池?zé)o法滿足性能要求。超級電容器具有優(yōu)良的低溫功率性能，非常適合這種場景。

電催化劑加熱

·制動能量再生（BERS）：鉛酸蓄電池（EFB 或 AGM 型，材料不同）的快速充放電循環(huán)需要大于 3kW 峰值和大于 200W 平均功率。因為安裝在發(fā)動機艙內(nèi)，電池壽命一般情況下不超過兩年；在較低溫度下，電池充電接受能力差，且尺寸過大。超級電容器在較低溫度下具有優(yōu)異的功率性能和充電接受能力，不受充電吞吐量影響，免維護(hù)，更適合這一場景。

制動能量再生

超級電容創(chuàng)新加速電動汽車革命

超級電容器制造

電動汽車需要有儲存電能的裝置，電池和超級電容器都有此功能。電池充電相對緩慢，放電也緩慢。超級電容器充電快，放電也快。電池能夠儲存大量能量，超級電容器是少量儲能的最佳選擇。歸根結(jié)底，電池在某些方面比超級電容器做得更好，而超級電容器在某些方面優(yōu)于電池。

超級電容器與電池比較

未來幾年，超級電容器可能會取代目前所有電動汽車使用的鉛酸電池，用于儲存日常功能（操作門鎖、提供內(nèi)部照明等）所需的電力。他們還有助于電動汽車 OEM 用來做最擅長的事情——快速充放電，同時讓主動力電池（鋰電池）做它最擅長的事情——讓汽車在路上行駛得更遠(yuǎn)。

彭博新能源財經(jīng)（Bloomberg New energy Finance）儲能分析師 James Frith 表示：“多年來，人們對超級電容器產(chǎn)生了很大興趣，問題是鋰電池的價格下降得很快，不過，汽車市場肯定有很多領(lǐng)域可以找到后者的應(yīng)用?！彼凳?，馬斯克也鐘愛超級電容器，特斯拉自主研發(fā)的新電池將是干電池技術(shù)+超級電容組合，如果在其產(chǎn)品中采用，那么超級電容器肯定會成為未來電動運輸領(lǐng)域的一部分，在這一領(lǐng)域，幾乎每天都有改進(jìn)。

據(jù)報道，Skeleton Technologies 一直在努力研發(fā)能夠取代傳統(tǒng)汽車鉛酸電池的先進(jìn)超級電容器。首席執(zhí)行官 Taavi Madiberk 承認(rèn)，超級電容器還沒有鋰電池那樣的能量密度，但他認(rèn)為這項技術(shù)一直在進(jìn)步。目前，其產(chǎn)品能量密度已達(dá)每升 60Wh/L。他說：“我們已經(jīng)在與幾家汽車 OEM 進(jìn)行討論，他們都希望擺脫汽車中笨重的鉛酸電池。”

Taavi Madiberk

“有時人們認(rèn)為鉛是一個過去的問題，因為它與內(nèi)燃機有關(guān)，但實際上所有電動汽車都有 12V 鉛酸電池，”他說?！拔覀冋谘芯恳环N可行的替代方案來取代所有的鉛酸電池?！?/p>

據(jù)介紹，1999 年，鋰電池每千瓦時的價格約為 5000 美元，如今已不到 200 美元；而特斯拉現(xiàn)在的電池價格可能在 100 美元以下。超級電容器的成本也將經(jīng)歷類似的快速下降。

據(jù) TechExplorist 報道，倫敦大學(xué)學(xué)院和中國科學(xué)院的科學(xué)家已開發(fā)出一種新型柔性石墨烯超級電容器，可以安全地高速充電，積累創(chuàng)紀(jì)錄的能量，并能長期儲存。

新型柔性石墨烯超級電容材料

新的超級電容器使用了一種創(chuàng)新的多層石墨烯電極，可以彎曲 180 度而不失去性能，且不需要液體電解質(zhì)，從而將爆炸風(fēng)險降至最低。研究小組開發(fā)的原型電池能量密度為每升 88.1Wh/L。此外，科學(xué)家們聲稱，他們的發(fā)明功率密度為每升 10000W，在 5000 次充放電循環(huán)后仍能保持 98.7%的容量。

倫敦大學(xué)學(xué)院數(shù)學(xué)與物理科學(xué)系主任兼化學(xué)系教授 Ivan Parkin 表示：“在一個緊湊系統(tǒng)中安全地存儲大量能量，是改進(jìn)能量存儲技術(shù)邁出的重要一步。新的超級電容器充電快，能夠控制其能量輸入，還具備良好的耐用性和靈活性，是搭載微型化電子產(chǎn)品和電動汽車的理想選擇。想象一下，只需 10 分鐘就可以為電動汽車充滿電是什么樣的體驗?！?/p>

Ivan Parkin

Ivan Parkin 介紹，這種新的電容比鉛酸電池輕得多，體積也小得多，可以取代目前所有電動汽車使用的 12V 標(biāo)準(zhǔn)電池。

當(dāng)然，這個新的超級電容器只是一個原型，是否商業(yè)上可行還有待驗證。如果可行，可能要過幾年才能被汽車 OEM 接受。不過，隨著電動汽車革命的繼續(xù)，這是一個值得關(guān)注的點。

最后的歸納

汽車是一個惡劣環(huán)境，包括極寬溫度范圍、機械振動、噪聲、氣體污染，以及瞬變電壓、大電流等的潛在風(fēng)險。而這些正是影響現(xiàn)代汽車功能穩(wěn)定性、可靠性和駕駛體驗的重要因素。據(jù)說，歐洲航天局（ESA）已在惡劣的太空環(huán)境中進(jìn)行了超級電容器測試，相信它比汽車的環(huán)境更加嚴(yán)苛。

再看看超級電容器對汽車意味著什么？可靠起動、降低油耗（或主電池功耗）、延長電池壽命、無障礙一次性投資、體積小、重量輕、易于安裝。而這些似乎已經(jīng)足夠了！
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