鉅大LARGE | 點擊量：1379次 | 2020年12月31日
特斯拉死磕鉛酸電池
100多歲的鉛酸電池
古老卻依然在搭載最新的電動汽車
雖然特斯拉的馬斯克無數次想換掉它
有無替代方案與非網獨家解讀
電動自行車屬于低速車，乃中國首創，其保有量已接近3億輛，年產值超過千億元，創下"世界第一"。雖然以鋰電電動自行車為代表的鳳凰高端產品最近開始走俏歐洲，但這種低速電動車絕大多數還都用鉛酸電池。為什么不用重量更輕、體積更小的鋰電池呢？
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
特斯拉當然不是低速電動車，除了安裝在前后軸之間底盤位置重達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）發明了鉛酸蓄電池。直到13年后直流發電機問世，鉛酸蓄電池才逐步走向實用化。1910年起，汽車蓄電池開始用于啟動、照明、點火，使鉛酸蓄電池生產得以發展；電話業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、通信等領域。
鉛酸電池沒有被鋰電池替代的原因在于：鋰電池制造復雜，成本是鉛酸電池的兩三倍，出廠價格更貴；鉛酸電池技術更加成熟，穩定性更好。
那為什么根本不差錢的特斯拉也在使用鉛酸蓄電池呢？以ModelX為例，看看這個與傳統燃油車一樣的12V鉛酸電池。
用戶手冊所見，ModelX也會出現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。
ModelX和燃油車的電池故障標識
死循環
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，無法進入車內……就沒有一個物理解鎖方法，讓車主進入車內？在網上搜索"特斯拉沒電怎么開門？"好奇怪！所有網頁都一樣--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，才能看見能打開前備箱的"機關"。
看來，要想通過搭電方法啟動ModelX還真不太容易。這里，假設可以打開機艙蓋，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極接線柱。看上去，在ModelX中，蓄電池的作用和燃油車別無二致。
ModelX蓄電池就在前備箱蓋板下
有點扯遠了，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，主要是在發動機（燃油車）或動力電池沒有供電之前，為車載電子設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。經驗告訴我們，當你開著收音機發動汽車時，在發動機點火瞬間，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℃也可順利啟動，可靠性高；
供應鏈成本低：12V鉛酸電池技術成熟，供應商多；
維修更換方便：不需要專供的產品。
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格要求。
有一種技術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展做好了準備。超級電容器可以與電池并聯，利用能量密度和功率密度的優勢，創建一個更高效、更穩健的完整電氣系統。
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，超級電容器的優點是：安全可靠，無煙、無火焰，終身免維護，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用場景
超級電容器能不能替代傳統鉛酸蓄電池呢？以下一些應用場景很能說明問題。
12V啟停應用
蓄電池退化可造成發動機啟動不順暢；較高ESR（等效串聯電阻）會降低蓄電池壽命；頻繁的啟-停循環會降低電池性能；低溫也會限制其功能。
在發動機啟動時，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。作為發動機啟動模塊的超級電容器始終為發動機提供啟動動力，而電池只需為燈光、空調、暖風等提供能量。超級電容器具有最低ESR和業界最高的功率密度，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。
啟停應用
鉛酸電池的質量能量為32-37Wh/kg,美國標準為41Wh/kg；而目前已接近量產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。
EPS和電子制動（EBS）
鎳氫、鋰離子電池在"正常狀態"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）。而超級電容器適合作為輔助能源使用。
再生制動能量吸收
快速放電并不是超級電容器帶來的唯一優勢，它也可以更快地（15秒內）充電，是可靠性最高的技術。
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，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，容易出現再生能量無法吸收，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。
電催化劑加熱
目前的解決方案是利用三元催化轉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（發動機點火信號）循環激活一次，在涼車情況下，電池無法滿足性能要求。超級電容器具有優良的低溫功率性能，非常適合這種場景。
制動能量再生
鉛酸蓄電池（EFB或AGM型，材料不同）的快速充放電循環需要大于3kW峰值和大于200W平均功率。因為安裝在發動機艙內，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，更適合這一場景。
超級電容創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。
彭博新能源財經、儲能分析師JamesFrith表示："多年來，人們對超級電容器產生了很大興趣，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域可以找到后者的應用。"
他暗示，馬斯克也鐘愛超級電容器，特斯拉自主研發的新電池將是干電池技術+超級電容組合，如果在其產品中采用，那么超級電容器肯定會成為未來電動運輸領域的一部分，在這一領域，幾乎每天都有改進。
據報道，SkeletonTechnologies一直在努力研發能夠取代傳統汽車鉛酸電池的先進超級電容器。首席執行官TaaviMadiberk承認，超級電容器還沒有鋰電池那樣的能量密度，但他認為這項技術一直在進步。目前，其產品能量密度已達每升60Wh/L。他說："我們已經在與幾家汽車OEM進行討論，他們都希望擺脫汽車中笨重的鉛酸電池。"
"有時人們認為鉛是一個過去的問題，因為它與內燃機有關，但實際上所有電動汽車都有12V鉛酸電池，"他說。"我們正在研究一種可行的替代方案來取代所有的鉛酸電池。"
據介紹，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歷類似的快速下降。
據TechExplorist報道，倫敦大學學院和中國科學院的科學家已開發出一種新型柔性石墨烯超級電容器，可以安全地高速充電，積累創紀錄的能量，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，從而將爆炸風險降至最低。研究小組開發的原型電池能量密度為每升88.1Wh/L。此外，科學家們聲稱，他們的發明功率密度為每升10000W，在5000次充放電循環后仍能保持98.7%的容量。
寫在最后
汽車是一個惡劣環境，包括極寬溫度范圍、機械振動、噪聲、氣體污染，以及瞬變電壓、大電流等的潛在風險。而這些正是影響現代汽車功能穩定性、可靠性和駕駛體驗的重要因素。據說，歐洲航天局（ESA）已在惡劣的太空環境中進行了超級電容器測試，相信它比汽車的環境更加嚴苛。
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。而這些似乎已經足夠了！
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