鋰電池的奧秘怎么成了電動汽車行業的風向標?

電池是電動汽車的心臟從電動汽車發展以來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

而這越是紛繁復雜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動力電池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越呢?毫無疑問鋰離子電芯作為其最基本的單元其優劣至關重要

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

據調研發現進入2014年以來國內鋰電池正極材料產業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三元材料的電芯也引導著上游的材料企業開始加大對三元材料的開發和生產力度

而一系列的變化也恰恰說明鋰電行業在慢慢的摸索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劣的標準

而隨著電動汽車的發展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節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

其電芯是VDA標準的BEV2規格模組的組合方式為1P12S被四周的厚鋁板固定鋁板間通過焊接組合在一起并將從控采集板安裝于模組的側面

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其模組結構非常牢固但同時也是不可拆卸的模組與模組之間的強電連接采用導線的形式并專門開發了連接器方便接插同時不論強電線還是采集線都采用了目前比較可靠接觸內阻較小的超聲波焊接與連接片進行連接而連接片則是采用激光焊接的方式與電芯進行連接

NTC則是固定在連接片上進行溫度的采集完成后上表面還用一片吸塑盤進行覆蓋保護可以看得出整個模組完成下來結構非常牢固可靠而所有的連接也都比較整齊有序

當然還有最關鍵的一點電芯的熱管理

I3模組的設計是通過底部平面進行導熱的模組的底面與安裝在電池箱底部的冷卻管道接觸而冷卻管道中則是制冷劑此設計冷卻管道可以平鋪于箱體底部其結構簡潔可靠適合批量生產

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并充分發揮了軟包電芯液冷的優勢

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并在大規模的自動化生產的條件下現今屬于最成熟穩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