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專家告訴你:到底怎樣的電動(dòng)汽車電池才算好?

發(fā)布時(shí)間:2015-12-14 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】對(duì)于電動(dòng)汽車的核心——電池,我們要求其安全、能量密度高、壽命長(zhǎng),充電時(shí)間短,同時(shí)又要性能卓越等等。那么對(duì)比電動(dòng)汽車電池來說怎么樣才算是達(dá)標(biāo)?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(guān)重要。
 
電池是電動(dòng)汽車的”心臟“。從電動(dòng)汽車發(fā)展以來,各種技術(shù)路線百花爭(zhēng)鳴,爭(zhēng)論不休。其中應(yīng)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(shù)路線并存的現(xiàn)象。同時(shí)鋰離子電芯還分為方形,軟包,圓柱三種結(jié)構(gòu)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(dòng)汽車的急切盼望:電動(dòng)汽車需要一顆強(qiáng)大的“心臟”。
 
對(duì)于電池包的要求
 
對(duì)于電動(dòng)汽車的核心——電池,我們要求其安全、能量密度高、壽命長(zhǎng),充電時(shí)間短,同時(shí)又要性能卓越等等。而這一項(xiàng)一項(xiàng)的要求,看似苛刻,但卻又無一不是電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的硬性指標(biāo)。
 
那么對(duì)比電動(dòng)汽車電池來說怎么樣才算是達(dá)標(biāo)?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(guān)重要。
 
但就拿我們最關(guān)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(guó)Valance公司產(chǎn)業(yè)化,隨即引起了中國(guó)市場(chǎng)的廣泛關(guān)注。從2004年開始,我國(guó)掀起了一股投資磷酸鐵鋰材料和磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的熱潮,磷酸鐵鋰其相對(duì)穩(wěn)定,安全性較高。隨后,它成為我國(guó)正極材料的主要路線,爭(zhēng)議暫告段落。
 
但是,隨著特斯拉在動(dòng)力電池使用了鎳鈷鋁酸鋰的正極材料,爭(zhēng)論再次出現(xiàn)。磷酸鐵鋰其較低的能量密度,已經(jīng)使其處于劣勢(shì)。
據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn),進(jìn)入2014年以來,國(guó)內(nèi)鋰電池正極材料產(chǎn)業(yè)整體出現(xiàn)了向三元材料轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),下游的電池廠基本都在開發(fā)三元材料的電芯,也引導(dǎo)著上游的材料企業(yè)開始加大對(duì)三元材料的開發(fā)和生產(chǎn)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(gè)電池包的安全,光靠電芯安全是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,其必須上升到一個(gè)系統(tǒng)的層級(jí)來。也就是說電池包的安全,靠的是整個(gè)電池系統(tǒng),而不僅僅是某個(gè)單一的元素。
 
更何況一個(gè)安全、可靠、性能卓越的電池包,更是涉及到多領(lǐng)域知識(shí)的耦合,其更需要一個(gè)完善、可靠的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。就好比飛機(jī)被認(rèn)為是最安全的交通工具,不單單是“安全”的發(fā)動(dòng)機(jī),“安全”的結(jié)構(gòu),就能保障的,其中還綜合運(yùn)用了人為因素分析、軟件安全性、風(fēng)險(xiǎn)管理和定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等各種先進(jìn)技術(shù)來預(yù)防事故發(fā)生,可以說是系統(tǒng)保障了安全。
 
下面我們就從電池系統(tǒng)中抽離出其一個(gè)核心部件電池模組,淺談一下各種不同的模組結(jié)構(gòu)。
 
關(guān)于電池模組
 
電池模組可以理解為鋰離子電芯經(jīng)串并聯(lián)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往能決定一個(gè)電池包的性能和安全。其結(jié)構(gòu)必須對(duì)電芯起到支撐、固定和保護(hù)作用。同時(shí)如何滿足過電流要求,電流均勻性,如何滿足對(duì)電芯溫度的控制,以及是否有嚴(yán)重異常時(shí)能斷電,避免連鎖反應(yīng)等等,都將是評(píng)判電池模組優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。
 
而隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展,以及人們對(duì)性能的追求,熱管理更是成為了電池模組設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。自然冷卻已經(jīng)不能滿足我們的需求。風(fēng)冷則由于其效率較低,且對(duì)電芯溫度的一致性較難控制,而表現(xiàn)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(jīng)轉(zhuǎn)向液冷或相變材料。下面就介紹一下各種不同結(jié)構(gòu)電芯的模組設(shè)計(jì)。
 
· 方形電池模組
 
方形電芯可以說是我國(guó)汽車動(dòng)力電池里,應(yīng)用最多的電芯了。其外殼的材質(zhì)有鋁、鋼、以及塑膠。其電芯厚度是三種結(jié)構(gòu)中最厚的,由此也造成其內(nèi)部和外表面的溫差較大。其模組結(jié)構(gòu)也多為自然冷卻和風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)。
 
我們來看看寶馬I3的電池模組設(shè)計(jì)。
 
我們可以看出,I3的電池模組從結(jié)構(gòu)上已經(jīng)具備一個(gè)高性能模組所需的要素,而一臺(tái)高性能的電動(dòng)汽車,就是靠著每一處的細(xì)節(jié)共同搭建而成的。當(dāng)然其散熱、均溫以及可靠性等等,還有待市場(chǎng)的驗(yàn)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(jié)構(gòu)類型,其用在國(guó)外的電動(dòng)車上比較多。
 
軟包電芯的物理結(jié)構(gòu)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(nèi)部壓力一大,便會(huì)從鋁塑膜邊緣開始泄壓、漏液。同時(shí)軟包電芯也是幾種電芯結(jié)構(gòu)中,散熱最好的。
 
目前,市面上賣得最多的還是日產(chǎn)的Leaf,其模組結(jié)構(gòu)為全密封式的,并未考慮散熱,即不散熱。
 
而Leaf在市場(chǎng)上頻繁反饋的容量衰減過快,與此熱管理也不無關(guān)系。顯然隨著人們對(duì)于高性能電動(dòng)車的追求,迫使軟包電芯也必須要有主動(dòng)式的熱管理結(jié)構(gòu)。
 
下面我們來看看一款World Congress展臺(tái)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(gè)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(shì)。
(▲ 液冷軟包電池模組)
 
當(dāng)然軟包電芯要將液冷技術(shù)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(shí)可靠的電連接,以及具有“保險(xiǎn)絲”結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)后,其優(yōu)勢(shì)會(huì)得以凸顯。
 
圓柱電池模組
 
圓柱電芯可謂是在各類電子產(chǎn)品中,應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。如今,在電動(dòng)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(jīng)過多年的沉淀,并在大規(guī)模的自動(dòng)化生產(chǎn)的條件下,現(xiàn)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(guó)內(nèi)目前的圓柱電池包多為自然冷卻或風(fēng)冷的結(jié)構(gòu),其效果不盡如人意。
 
我們來看看,將圓柱型電芯推到風(fēng)口浪尖上的特斯拉電池模組。
 
相信已經(jīng)有不少人見過特斯拉的模組了:
 
組成一臺(tái)特斯拉汽車需要7000多顆18650電芯,一個(gè)模組則需要400多顆電芯,同時(shí)為了高性能的目標(biāo)又要在模組上集成多項(xiàng)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(shù),使人眼前一亮,為之拍案。好比電芯連接的“保險(xiǎn)絲”設(shè)計(jì)。
 
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(dāng)局者迷吧。而這一技術(shù)的應(yīng)用則極大地提高了電池的安全性能。同時(shí),還有液冷管道的應(yīng)用,極大地解決了18650電芯的散熱和均溫的問題,這對(duì)電池的性能和壽命都是一個(gè)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(xì)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(gè)模組,成為了一個(gè)高性能的特斯拉電池包所必不可少的核心部件。
【導(dǎo)讀】對(duì)于電動(dòng)汽車的核心——電池,我們要求其安全、能量密度高、壽命長(zhǎng),充電時(shí)間短,同時(shí)又要性能卓越等等。那么對(duì)比電動(dòng)汽車電池來說怎么樣才算是達(dá)標(biāo)?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(guān)重要。  電池是電動(dòng)汽車的”心臟“。從電動(dòng)汽車發(fā)展以來,各種技術(shù)路線百花爭(zhēng)鳴,爭(zhēng)論不休。其中應(yīng)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(shù)路線并存的現(xiàn)象。同時(shí)鋰離子電芯還分為方形,軟包,圓柱三種結(jié)構(gòu)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(dòng)汽車的急切盼望:電動(dòng)汽車需要一顆強(qiáng)大的“心臟”。  對(duì)于電池包的要求  對(duì)于電動(dòng)汽車的核心——電池,我們要求其安全、能量密度高、壽命長(zhǎng),充電時(shí)間短,同時(shí)又要性能卓越等等。而這一項(xiàng)一項(xiàng)的要求,看似苛刻,但卻又無一不是電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的硬性指標(biāo)。  那么對(duì)比電動(dòng)汽車電池來說怎么樣才算是達(dá)標(biāo)?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(guān)重要。  但就拿我們最關(guān)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(guó)Valance公司產(chǎn)業(yè)化,隨即引起了中國(guó)市場(chǎng)的廣泛關(guān)注。從2004年開始,我國(guó)掀起了一股投資磷酸鐵鋰材料和磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的熱潮,磷酸鐵鋰其相對(duì)穩(wěn)定,安全性較高。隨后,它成為我國(guó)正極材料的主要路線,爭(zhēng)議暫告段落。  但是,隨著特斯拉在動(dòng)力電池使用了鎳鈷鋁酸鋰的正極材料,爭(zhēng)論再次出現(xiàn)。磷酸鐵鋰其較低的能量密度,已經(jīng)使其處于劣勢(shì)。 1 據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn),進(jìn)入2014年以來,國(guó)內(nèi)鋰電池正極材料產(chǎn)業(yè)整體出現(xiàn)了向三元材料轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),下游的電池廠基本都在開發(fā)三元材料的電芯,也引導(dǎo)著上游的材料企業(yè)開始加大對(duì)三元材料的開發(fā)和生產(chǎn)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(gè)電池包的安全,光靠電芯安全是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,其必須上升到一個(gè)系統(tǒng)的層級(jí)來。也就是說電池包的安全,靠的是整個(gè)電池系統(tǒng),而不僅僅是某個(gè)單一的元素。  更何況一個(gè)安全、可靠、性能卓越的電池包,更是涉及到多領(lǐng)域知識(shí)的耦合,其更需要一個(gè)完善、可靠的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。就好比飛機(jī)被認(rèn)為是最安全的交通工具,不單單是“安全”的發(fā)動(dòng)機(jī),“安全”的結(jié)構(gòu),就能保障的,其中還綜合運(yùn)用了人為因素分析、軟件安全性、風(fēng)險(xiǎn)管理和定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等各種先進(jìn)技術(shù)來預(yù)防事故發(fā)生,可以說是系統(tǒng)保障了安全。  下面我們就從電池系統(tǒng)中抽離出其一個(gè)核心部件電池模組,淺談一下各種不同的模組結(jié)構(gòu)。  關(guān)于電池模組  電池模組可以理解為鋰離子電芯經(jīng)串并聯(lián)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往能決定一個(gè)電池包的性能和安全。其結(jié)構(gòu)必須對(duì)電芯起到支撐、固定和保護(hù)作用。同時(shí)如何滿足過電流要求,電流均勻性,如何滿足對(duì)電芯溫度的控制,以及是否有嚴(yán)重異常時(shí)能斷電,避免連鎖反應(yīng)等等,都將是評(píng)判電池模組優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。  而隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展,以及人們對(duì)性能的追求,熱管理更是成為了電池模組設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。自然冷卻已經(jīng)不能滿足我們的需求。風(fēng)冷則由于其效率較低,且對(duì)電芯溫度的一致性較難控制,而表現(xiàn)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(jīng)轉(zhuǎn)向液冷或相變材料。下面就介紹一下各種不同結(jié)構(gòu)電芯的模組設(shè)計(jì)。  · 方形電池模組  方形電芯可以說是我國(guó)汽車動(dòng)力電池里,應(yīng)用最多的電芯了。其外殼的材質(zhì)有鋁、鋼、以及塑膠。其電芯厚度是三種結(jié)構(gòu)中最厚的,由此也造成其內(nèi)部和外表面的溫差較大。其模組結(jié)構(gòu)也多為自然冷卻和風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)。  我們來看看寶馬I3的電池模組設(shè)計(jì)。  我們可以看出,I3的電池模組從結(jié)構(gòu)上已經(jīng)具備一個(gè)高性能模組所需的要素,而一臺(tái)高性能的電動(dòng)汽車,就是靠著每一處的細(xì)節(jié)共同搭建而成的。當(dāng)然其散熱、均溫以及可靠性等等,還有待市場(chǎng)的驗(yàn)證。 2 (▲ 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(jié)構(gòu)類型,其用在國(guó)外的電動(dòng)車上比較多。  軟包電芯的物理結(jié)構(gòu)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(nèi)部壓力一大,便會(huì)從鋁塑膜邊緣開始泄壓、漏液。同時(shí)軟包電芯也是幾種電芯結(jié)構(gòu)中,散熱最好的。  目前,市面上賣得最多的還是日產(chǎn)的Leaf,其模組結(jié)構(gòu)為全密封式的,并未考慮散熱,即不散熱。  而Leaf在市場(chǎng)上頻繁反饋的容量衰減過快,與此熱管理也不無關(guān)系。顯然隨著人們對(duì)于高性能電動(dòng)車的追求,迫使軟包電芯也必須要有主動(dòng)式的熱管理結(jié)構(gòu)。  下面我們來看看一款World Congress展臺(tái)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(gè)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(shì)。 3 (▲ 液冷軟包電池模組)  當(dāng)然軟包電芯要將液冷技術(shù)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(shí)可靠的電連接,以及具有“保險(xiǎn)絲”結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)后,其優(yōu)勢(shì)會(huì)得以凸顯。  圓柱電池模組  圓柱電芯可謂是在各類電子產(chǎn)品中,應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。如今,在電動(dòng)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(jīng)過多年的沉淀,并在大規(guī)模的自動(dòng)化生產(chǎn)的條件下,現(xiàn)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(guó)內(nèi)目前的圓柱電池包多為自然冷卻或風(fēng)冷的結(jié)構(gòu),其效果不盡如人意。  我們來看看,將圓柱型電芯推到風(fēng)口浪尖上的特斯拉電池模組。  相信已經(jīng)有不少人見過特斯拉的模組了:  組成一臺(tái)特斯拉汽車需要7000多顆18650電芯,一個(gè)模組則需要400多顆電芯,同時(shí)為了高性能的目標(biāo)又要在模組上集成多項(xiàng)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(shù),使人眼前一亮,為之拍案。好比電芯連接的“保險(xiǎn)絲”設(shè)計(jì)。  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(dāng)局者迷吧。而這一技術(shù)的應(yīng)用則極大地提高了電池的安全性能。同時(shí),還有液冷管道的應(yīng)用,極大地解決了18650電芯的散熱和均溫的問題,這對(duì)電池的性能和壽命都是一個(gè)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(xì)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(gè)模組,成為了一個(gè)高性能的特斯拉電池包所必不可少的核心部件。 4 電動(dòng)之心  通過以上一些簡(jiǎn)單的列舉,我們不難看出,無論何種結(jié)構(gòu)的電芯其實(shí)都不乏一些好的應(yīng)用范例。而對(duì)于鋰離子電芯,如果作為一款革命性的產(chǎn)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(tǒng)。而這也是我們打造一顆強(qiáng)大“電動(dòng)之心”的必經(jīng)之路。
電動(dòng)之心
 
通過以上一些簡(jiǎn)單的列舉,我們不難看出,無論何種結(jié)構(gòu)的電芯其實(shí)都不乏一些好的應(yīng)用范例。而對(duì)于鋰離子電芯,如果作為一款革命性的產(chǎn)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(tǒng)。而這也是我們打造一顆強(qiáng)大“電動(dòng)之心”的必經(jīng)之路。
 
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