【導讀】對于電動汽車的核心——電池，我們要求其安全、能量密度高、壽命長，充電時間短，同時又要性能卓越等等。那么對比電動汽車電池來說怎么樣才算是達標？又怎么樣才算是性能優(yōu)越呢?毫無疑問鋰離子電芯作為其最基本的單元，其優(yōu)劣至關重要。
電池是電動汽車的”心臟“。從電動汽車發(fā)展以來，各種技術路線百花爭鳴，爭論不休。其中應用最廣的鋰離子電芯，就有三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等多種技術路線并存的現象。同時鋰離子電芯還分為方形，軟包，圓柱三種結構形式。
而這越是紛繁蕪雜，就越能代表了我們還在不斷探索，代表了電動汽車的急切盼望：電動汽車需要一顆強大的“心臟”。
對于電池包的要求
對于電動汽車的核心——電池，我們要求其安全、能量密度高、壽命長，充電時間短，同時又要性能卓越等等。而這一項一項的要求，看似苛刻，但卻又無一不是電動汽車實現產業(yè)化的硬性指標。
那么對比電動汽車電池來說怎么樣才算是達標？又怎么樣才算是性能優(yōu)越呢?毫無疑問鋰離子電芯作為其最基本的單元，其優(yōu)劣至關重要。
但就拿我們最關注的安全性來說，是不是電芯安全了，電池包就安全了呢？
我們可以看到2002年，磷酸鐵鋰(LFP)首次被美國Valance公司產業(yè)化，隨即引起了中國市場的廣泛關注。從2004年開始，我國掀起了一股投資磷酸鐵鋰材料和磷酸鐵鋰動力電池的熱潮，磷酸鐵鋰其相對穩(wěn)定，安全性較高。隨后，它成為我國正極材料的主要路線，爭議暫告段落。
但是，隨著特斯拉在動力電池使用了鎳鈷鋁酸鋰的正極材料，爭論再次出現。磷酸鐵鋰其較低的能量密度，已經使其處于劣勢。
據調研發(fā)現，進入2014年以來，國內鋰電池正極材料產業(yè)整體出現了向三元材料轉移的趨勢，下游的電池廠基本都在開發(fā)三元材料的電芯，也引導著上游的材料企業(yè)開始加大對三元材料的開發(fā)和生產力度。
而一系列的變化，也恰恰說明鋰電行業(yè)在慢慢的摸索，慢慢走向成熟。就比如說一個電池包的安全，光靠電芯安全是遠遠不夠的，其必須上升到一個系統的層級來。也就是說電池包的安全，靠的是整個電池系統，而不僅僅是某個單一的元素。
更何況一個安全、可靠、性能卓越的電池包，更是涉及到多領域知識的耦合，其更需要一個完善、可靠的系統來實現。就好比飛機被認為是最安全的交通工具，不單單是“安全”的發(fā)動機，“安全”的結構，就能保障的，其中還綜合運用了人為因素分析、軟件安全性、風險管理和定量風險評估等各種先進技術來預防事故發(fā)生，可以說是系統保障了安全。
下面我們就從電池系統中抽離出其一個核心部件電池模組，淺談一下各種不同的模組結構。
關于電池模組
電池模組可以理解為鋰離子電芯經串并聯方式組合，并加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置。電池模組的結構設計往往能決定一個電池包的性能和安全。其結構必須對電芯起到支撐、固定和保護作用。同時如何滿足過電流要求，電流均勻性，如何滿足對電芯溫度的控制，以及是否有嚴重異常時能斷電，避免連鎖反應等等，都將是評判電池模組優(yōu)劣的標準。
而隨著電動汽車的發(fā)展，以及人們對性能的追求，熱管理更是成為了電池模組設計的一個至關重要的環(huán)節(jié)。自然冷卻已經不能滿足我們的需求。風冷則由于其效率較低，且對電芯溫度的一致性較難控制，而表現的力不從心。因此，高性能需求的電池模組，其熱管理的解決方案已經轉向液冷或相變材料。下面就介紹一下各種不同結構電芯的模組設計。
· 方形電池模組
方形電芯可以說是我國汽車動力電池里，應用最多的電芯了。其外殼的材質有鋁、鋼、以及塑膠。其電芯厚度是三種結構中最厚的，由此也造成其內部和外表面的溫差較大。其模組結構也多為自然冷卻和風冷的結構。
我們來看看寶馬I3的電池模組設計。
我們可以看出，I3的電池模組從結構上已經具備一個高性能模組所需的要素，而一臺高性能的電動汽車，就是靠著每一處的細節(jié)共同搭建而成的。當然其散熱、均溫以及可靠性等等，還有待市場的驗證。
（▲ 寶馬I3方形電池模組）
· 軟包電池模組
軟包電芯的電池包，也是近期比較熱門的一種結構類型，其用在國外的電動車上比較多。
軟包電芯的物理結構決定了其不易爆炸，一般只有外殼能承受的壓力足夠高，才有可能炸，而軟包電芯內部壓力一大，便會從鋁塑膜邊緣開始泄壓、漏液。同時軟包電芯也是幾種電芯結構中，散熱最好的。
目前，市面上賣得最多的還是日產的Leaf，其模組結構為全密封式的，并未考慮散熱，即不散熱。
而Leaf在市場上頻繁反饋的容量衰減過快，與此熱管理也不無關系。顯然隨著人們對于高性能電動車的追求，迫使軟包電芯也必須要有主動式的熱管理結構。
下面我們來看看一款World Congress展臺上的液冷軟包模組。其模組由電芯層疊而成，而電芯間有間隔排布的液冷板，其保證每顆電芯都有一個大面接觸到液冷板，并充分發(fā)揮了軟包電芯液冷的優(yōu)勢。
（▲ 液冷軟包電池模組）
當然軟包電芯要將液冷技術做成熟也并非易事，其必須考慮液冷板的固定，密封性，絕緣性等等。同時可靠的電連接，以及具有“保險絲”結構連接片，這都是高性能軟包模組的方向。
我們可以看到軟包電芯其配合完善的模組結構后，其優(yōu)勢會得以凸顯。
圓柱電池模組
圓柱電芯可謂是在各類電子產品中，應用最廣泛的結構。如今，在電動汽車行業(yè)也占有一定得份額。最典型的即是18650電芯了，其工藝經過多年的沉淀，并在大規(guī)模的自動化生產的條件下，現今屬于最成熟，穩(wěn)定且一致性最好的電芯。
而圓柱電芯更是有著目前最高的能量密度，其三元材料的電芯能做到210~250Wh/kg。國內目前的圓柱電池包多為自然冷卻或風冷的結構，其效果不盡如人意。
我們來看看，將圓柱型電芯推到風口浪尖上的特斯拉電池模組。
相信已經有不少人見過特斯拉的模組了：
組成一臺特斯拉汽車需要7000多顆18650電芯，一個模組則需要400多顆電芯，同時為了高性能的目標又要在模組上集成多項功能，可見其工作量和難度之大。其中，甚至還用上了一些跨行業(yè)的技術，使人眼前一亮，為之拍案。好比電芯連接的“保險絲”設計。
可以說，身處電池行業(yè)的人，反而很少有人能想得到，這也許就是當局者迷吧。而這一技術的應用則極大地提高了電池的安全性能。同時，還有液冷管道的應用，極大地解決了18650電芯的散熱和均溫的問題，這對電池的性能和壽命都是一個極大的幫助。不僅如此，其電池模組在空間尺寸上的利用，更可謂是精打細算。
在這里還是要佩服一下特斯拉將事情做到極致的態(tài)度，也就是這樣一個模組，成為了一個高性能的特斯拉電池包所必不可少的核心部件。
電動之心
通過以上一些簡單的列舉，我們不難看出，無論何種結構的電芯其實都不乏一些好的應用范例。而對于鋰離子電芯，如果作為一款革命性的產品，目前看來仍有很多不足和局限。但我們與其一味坐等材料的發(fā)展，不如多考慮一下，如何做好電池模組，做好電池系統。而這也是我們打造一顆強大“電動之心”的必經之路。
