第四届中国(广州)国际电池与储能技术博览会

 

暨第九届中国锂电产业峰会

 


2019年5月8-10日 广州琶洲·国际采购中心
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锂电池的奥秘:怎么成了电动汽车行业的风向标

发表时间:2015-12-14   浏览次数:
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电池是电动汽车的”心脏“。从电动汽车发展以来,各种技术路线百花争鸣,争论不休。其中应用最广的锂离子电芯,就有三元、磷酸铁锂、锰酸锂等多种技术路线并存的现象。同时锂离子电芯还分为方形,软包,圆柱三种结构形式。

 

  电池是电动汽车的”心脏“。从电动汽车发展以来,各种技术路线百花争鸣,争论不休。其中应用最广的锂离子电芯,就有三元、磷酸铁锂、锰酸锂等多种技术路线并存的现象。同时锂离子电芯还分为方形,软包,圆柱三种结构形式。

  而这越是纷繁复杂,就越能代表了我们还在不断探索,代表了电动汽车的急切盼望:电动汽车需要一颗强大的“心脏”。

  对于电池包的要求

  对于电动汽车的核心——动力电池,我们要求其安全、能量密度高、寿命长,充电时间短,同时又要性能卓越等等。而这一项一项的要求,看似苛刻,但却又无一不是电动汽车实现产业化的硬性指标。

  那么对比电动汽车电池来说怎么样才算是达标?又怎么样才算是性能优越呢?毫无疑问锂离子电芯作为其最基本的单元,其优劣至关重要。

  但就拿我们最关注的安全性来说,是不是电芯安全了,电池包就安全了呢?

  我们可以看到2002年,磷酸铁锂(LFP)首次被美国Valance公司产业化,随即引起了中国市场的广泛关注。从2004年开始,我国掀起了一股投资磷酸铁锂材料和磷酸铁锂动力电池的热潮,磷酸铁锂其相对稳定,安全性较高。随后,它成为我国正极材料的主要路线,争议暂告段落。

  但是,随着特斯拉在动力电池使用了镍钴铝酸锂的正极材料,争论再次出现。磷酸铁锂其较低的能量密度,已经使其处于劣势。

  据调研发现,进入2014年以来,国内锂电池正极材料产业整体出现了向三元材料转移的趋势,下游的电池厂基本都在开发三元材料的电芯,也引导着上游的材料企业开始加大对三元材料的开发和生产力度。

  而一系列的变化,也恰恰说明锂电行业在慢慢的摸索,慢慢走向成熟。就比如说一个电池包的安全,光靠电芯安全是远远不够的,其必须上升到一个系统的层级来。也就是说电池包的安全,靠的是整个电池系统,而不仅仅是某个单一的元素。

  更何况一个安全、可靠、性能卓越的电池包,更是涉及到多领域知识的耦合,其更需要一个完善、可靠的系统来实现。就好比飞机被认为是最安全的交通工具,不单单是“安全”的发动机,“安全”的结构,就能保障的,其中还综合运用了人为因素分析、软件安全性、风险管理和定量风险评估等各种先进技术来预防事故发生,可以说是系统保障了安全。

  下面我们就从电池系统中抽离出其一个核心部件电池模组,浅谈一下各种不同的模组结构。

  关于电池模组

  电池模组可以理解为锂离子电芯经串并联方式组合,并加装单体电池监控与管理装置。电池模组的结构设计往往能决定一个电池包的性能和安全。其结构必须对电芯起到支撑、固定和保护作用。同时如何满足过电流要求,电流均匀性,如何满足对电芯温度的控制,以及是否有严重异常时能断电,避免连锁反应等等,都将是评判电池模组优劣的标准。

  而随着电动汽车的发展,以及人们对性能的追求,热管理更是成为了电池模组设计的一个至关重要的环节。自然冷却已经不能满足我们的需求。风冷则由于其效率较低,且对电芯温度的一致性较难控制,而表现的力不从心。因此,高性能需求的电池模组,其热管理的解决方案已经转向液冷或相变材料。下面就介绍一下各种不同结构电芯的模组设计。

  方形电池模组

  方形电芯可以说是我国汽车动力电池里,应用最多的电芯了。其外壳的材质有铝、钢、以及塑胶。其电芯厚度是三种结构中最厚的,由此也造成其内部和外表面的温差较大。其模组结构也多为自然冷却和风冷的结构。

  我们来看看宝马I3的电池模组设计。

  我们可以看出,I3的电池模组从结构上已经具备一个高性能模组所需的要素,而一台高性能的电动汽车,就是靠着每一处的细节共同搭建而成的。当然其散热、均温以及可靠性等等,还有待市场的验证。

  其电芯是VDA标准的BEV2规格,模组的组合方式为1P12S,被四周的厚铝板固定。铝板间通过焊接组合在一起,并将从控采集板安装于模组的侧面。

  其模组结构非常牢固,但同时也是不可拆卸的。模组与模组之间的强电连接采用导线的形式,并专门开发了连接器,方便接插。同时,不论强电线还是采集线都采用了目前比较可靠,接触内阻较小的超声波焊接与连接片进行连接。而连接片则是采用激光焊接的方式与电芯进行连接。

  NTC则是固定在连接片上进行温度的采集。完成后,上表面还用一片吸塑盘进行覆盖保护。可以看得出,整个模组完成下来,结构非常牢固可靠,而所有的连接也都比较整齐有序。

  当然,还有最关键的一点,电芯的热管理。

  I3模组的设计是通过底部平面进行导热的。模组的底面与安装在电池箱底部的冷却管道接触,而冷却管道中则是制冷剂。此设计冷却管道可以平铺于箱体底部,其结构简洁可靠,适合批量生产。

  软包电池模组

  软包电芯的电池包,也是近期比较热门的一种结构类型,其用在国外的电动车上比较多。

  软包电芯的物理结构决定了其不易爆炸,一般只有外壳能承受的压力足够高,才有可能炸,而软包电芯内部压力一大,便会从铝塑膜边缘开始泄压、漏液。同时软包电芯也是几种电芯结构中,散热最好的。

  目前,市面上卖得最多的还是日产的Leaf,其模组结构为全密封式的,并未考虑散热,即不散热。

  而Leaf在市场上频繁反馈的容量衰减过快,与此热管理也不无关系。显然随着人们对于高性能电动车的追求,迫使软包电芯也必须要有主动式的热管理结构。

  下面我们来看看一款World Congress展台上的液冷软包模组。其模组由电芯层叠而成,而电芯间有间隔排布的液冷板,其保证每颗电芯都有一个大面接触到液冷板,并充分发挥了软包电芯液冷的优势。

  当然软包电芯要将液冷技术做成熟也并非易事,其必须考虑液冷板的固定,密封性,绝缘性等等。同时可靠的电连接,以及具有“保险丝”结构连接片,这都是高性能软包模组的方向。

  我们可以看到软包电芯其配合完善的模组结构后,其优势会得以凸显。

  圆柱电池模组

  圆柱电芯可谓是在各类电子产品中,应用最广泛的结构。如今,在电动汽车行业也占有一定得份额。最典型的即是18650电芯了,其工艺经过多年的沉淀,并在大规模的自动化生产的条件下,现今属于最成熟,稳定且一致性最好的电芯。

  而圆柱电芯更是有着目前最高的能量密度,其三元材料的电芯能做到210~250Wh/kg。国内目前的圆柱电池包多为自然冷却或风冷的结构,其效果不尽如人意。

  我们来看看,将圆柱型电芯推到风口浪尖上的特斯拉电池模组。

  相信已经有不少人见过特斯拉的模组了:

  组成一台特斯拉汽车需要7000多颗18650电芯,一个模组则需要400多颗电芯,同时为了高性能的目标又要在模组上集成多项功能,可见其工作量和难度之大。其中,甚至还用上了一些跨行业的技术,使人眼前一亮,为之拍案。好比电芯连接的“保险丝”设计。

  可以说,身处电池行业的人,反而很少有人能想得到,这也许就是当局者迷吧。而这一技术的应用则极大地提高了电池的安全性能。同时,还有液冷管道的应用,极大地解决了18650电芯的散热和均温的问题,这对电池的性能和寿命都是一个极大的帮助。不仅如此,其电池模组在空间尺寸上的利用,更可谓是精打细算。

  在这里还是要佩服一下特斯拉将事情做到极致的态度,也就是这样一个模组,成为了一个高性能的特斯拉电池包所必不可少的核心部件。

  电动之心

  通过以上一些简单的列举,我们不难看出,无论何种结构的电芯其实都不乏一些好的应用范例。而对于锂离子电芯,如果作为一款革命性的产品,目前看来仍有很多不足和局限。但我们与其一味坐等材料的发展,不如多考虑一下,如何做好电池模组,做好电池系统。而这也是我们打造一颗强大“电动之心”的必经之路。