圓柱、方形、軟包,電動(dòng)車電池之間的差距比你想象得大
發(fā)布時(shí)間:2019-11-20 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】我們通常都喜歡將“電池、電驅(qū)、電控”統(tǒng)稱為了 新能源車 的“三電“系統(tǒng),通過(guò)三者之間的”鼎力配合”最終讓一臺(tái)電動(dòng)車跑起來(lái),變身成為一臺(tái)能實(shí)現(xiàn)代步功能的 純電動(dòng)汽車 。從簡(jiǎn)單意義上見,所謂的“三電”無(wú)外乎就是電機(jī)、電池以及讓兩者“和平相處”的電控系統(tǒng)。
為了讓大家更深入的了解到三者之間的特性以及之間的聯(lián)系,首席出行官在接下來(lái)會(huì)以插畫連載的形式對(duì)電動(dòng)車“三電”系統(tǒng)進(jìn)行深度剖析,幫助大家以最簡(jiǎn)單直白的方式了解新能源時(shí)代中,電動(dòng)車的最本質(zhì)原理。
這第一堂課將帶大家率先了解一下,電動(dòng)汽車的核心硬件之一——電池。
關(guān)于電池的“秘密”都有哪些?
現(xiàn)階段已知的電動(dòng)車電池有兩種,根據(jù)正極材料的不同分為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。前者是目前最主流的電池種類,而磷酸鐵鋰電池則就是曾經(jīng)讓比亞迪名揚(yáng)天下的“鐵電池”。只不過(guò)磷酸鐵鋰電池的活性較差,導(dǎo)致其能量密度低,無(wú)法提供更長(zhǎng)的續(xù)航能力,所以逐漸淡出了人們視線。
而目前主流的三元鋰電池,其優(yōu)勢(shì)便是電池活性高,能量密度也更高,所以新能源車型基本上都以三元鋰電池作為 儲(chǔ)能 機(jī)構(gòu)。三元鋰電池同樣也分為兩類,一種是絕大多數(shù)車企都采用的MCM(鎳鈷錳)三元鋰電池,另一種則是特斯拉采用的NCA(鎳鈷鋁)三元鋰電池。
( 電池充電狀態(tài)原理圖 )
無(wú)論是那種鋰電池,其本質(zhì)上的結(jié)構(gòu)都是大同小異的。均由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成。鋰電池充電就是由正極生成帶電鋰離子(等量),并從正極脫離出,“游過(guò)”電解液和隔膜到達(dá)負(fù)極,嵌入負(fù)極材料中。而放電過(guò)程則正相反,鋰離子從負(fù)極脫出“游向”正極。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),鋰電池的充放電過(guò)程就是鋰離子在正負(fù)極之間來(lái)回“游動(dòng)”實(shí)現(xiàn)的。
( 電池充放電原理示意圖 )
推動(dòng)鋰離子來(lái)回“游動(dòng)”的就是電流。所以我們可以簡(jiǎn)單的將快充理解為鋰離子身后有一個(gè)大功率推進(jìn)器,快速且強(qiáng)行推動(dòng)鋰離子從正極“游到”負(fù)極,而慢充就是一個(gè)小功率推進(jìn)器,帶著鋰離子慢悠悠的從正極“游向”負(fù)極。
( 鋰枝晶生長(zhǎng)過(guò)程 )
那為什么快充會(huì)對(duì)電池造成一定影響呢?很簡(jiǎn)單,很多有大功率推進(jìn)器的鋰離子從正極“瘋狂游向”負(fù)極,而到了負(fù)極還沒上岸(嵌入負(fù)極),后面的又一個(gè)鋰離子便也沖了過(guò)來(lái),兩個(gè)鋰離子撞到一起“撞死”失去活性。如此一來(lái),電池便損失了一個(gè)鋰離子。長(zhǎng)此以往下,“死去”的鋰離子便會(huì)對(duì)堆積到一起,形成鋰枝晶。很多電池爆燃情況的發(fā)生,大多都是鋰枝晶過(guò)長(zhǎng)刺破隔膜致使電池內(nèi)部短路而導(dǎo)致的。
( 電池內(nèi)阻增大 )
另外我們?cè)傺由煲幌?,為什么冬季低溫的情況下,電動(dòng)車的續(xù)航會(huì)大幅縮水呢?前面說(shuō)到過(guò),電池的放電過(guò)程就是鋰離子從負(fù)極脫嵌,經(jīng)過(guò)電解“液回”到正極。而低氣溫情況下,電解液會(huì)變得“粘稠”甚至與“結(jié)冰”。這意味著鋰離子從負(fù)極“游回”正極的過(guò)程變得更困難,需要更大功率的推進(jìn)器推動(dòng)鋰離子,這也就是電池的內(nèi)阻增大。
所以,低溫情況下電池自身便需要消耗更多電能,進(jìn)而導(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)車輛的電能減少。這便是冬季電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力大幅縮水的原因。
電芯的三種“姿態(tài)”
在了解電芯之前,我們要先知道,目前常說(shuō)的“電池包”和“動(dòng)力電池組”并未單一電池體,而是由若干個(gè)電芯(單體電池),導(dǎo)電排、采樣單元及一些必要的結(jié)構(gòu)支撐部件集成在一起構(gòu)成一個(gè)模塊后,才能被稱之為“電池包”或“動(dòng)力電池組”。而電芯(單體電池)本身形式也各有不同,主要分為三種:方形硬殼電池,圓柱電池以及軟包電池。
絕大部分新能源車企都愛用的:方形硬殼電池
方形硬殼電池可以說(shuō)是目前應(yīng)用范圍最廣的電池形式,現(xiàn)階段除特斯拉之外,有超過(guò)90%的新能源車型均采用這一電池形式。以寧德時(shí)代為代表的國(guó)內(nèi)主流電池供應(yīng)商也均以方形硬殼電池為主要研發(fā)產(chǎn)品。這也是方形硬殼電池的優(yōu)勢(shì)之一:供應(yīng)商足夠多。對(duì)于車企來(lái)說(shuō),這也意味著可以有效降低電池的采購(gòu)成本。
( 方形硬殼電池PACK成組 )
此外,方形硬殼電池本身?yè)碛懈叩目臻g利用率,所以電池單體體積及容量也明顯優(yōu)于其他電池形式,電池能量密度也可以做得更高。以寧德時(shí)代NCM811電池為例,目前已經(jīng)可以做到PACK后,電池包整體能量密度超過(guò)了180Wh/kg。同時(shí)。更大的單體體積及容量意味著PACK成組后數(shù)量的降低,這也意味著對(duì)BMS電池管理系統(tǒng)要求的降低。
但方形硬殼電池的劣勢(shì)在于,PACK成組前,電池本身便需要單獨(dú)的外層硬質(zhì)保護(hù)殼,這意味著電池包整體重量的大幅增加。同時(shí),更高的空間利用率也意味著對(duì)冷卻系統(tǒng)布置要求的提高,這也將進(jìn)一步提升電池包的設(shè)計(jì)成本。
( 方形硬殼電池 )
即便目前電池殼體均開始采用質(zhì)量更輕的鋁制材料和更巧妙的冷卻設(shè)計(jì),但本質(zhì)上依舊有這兩部分硬件的存在。所以,電池包如何控制整體重量也就成為了目前的主要問(wèn)題。
為了解決這一問(wèn)題,寧德時(shí)代推出了自家最新的CTP高集成動(dòng)力電池開發(fā)平臺(tái),取消了電池PACK成組的環(huán)節(jié),將電芯直接集成到電池包。相較傳統(tǒng)電池包,CTP電池包體積利用率提高了15%-20%,電池包零部件數(shù)量減少40%,電池包能量密度從180Wh/kg提升到200Wh/kg以上,這成為了方形硬殼電池現(xiàn)階段的最佳解決方案。
特斯拉的“摯愛”:圓柱電池
圓柱電池一直都是特斯拉的唯一選擇,但特斯拉選擇圓柱電池從某種意義上講也是一種無(wú)奈之舉。其實(shí)圓柱電池的應(yīng)用非常廣泛,早在1992年18650圓柱電池便已經(jīng)被大范圍的應(yīng)用在電子產(chǎn)品上。18650代表的是電池的型號(hào),“18”代表電池的直徑,“65”則代表電池的高度,“0”則是代表圓柱電池。同理,現(xiàn)在特斯拉所使用的21700電池也就很好理解了。
( 特斯拉動(dòng)力電池組 )
18650電池的技術(shù)成熟度非常高,同時(shí)也正是因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化,圓柱電池生產(chǎn)的自動(dòng)化水平會(huì)更高。同時(shí),國(guó)外三星、松下等主要廠家也可以將良品率保持在98%以上,國(guó)內(nèi)電池廠商也基本可以做到90%以上。所以,特斯拉在起步階段選擇18650也是基于上述種種原因之后的中和之選。
圓柱電池本身的優(yōu)勢(shì)則是單體能量密度相較于方形硬殼電池更高,目前特斯拉Model 3上所用的最新21700電池已經(jīng)將單體能量密度提升到300Wh/kg,這也是其他電池形式段時(shí)間內(nèi)無(wú)法達(dá)到的水平。
( 21700圓柱電池 )
同時(shí)圓柱電池循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電,充電效率高,而且輸出功率更大。另外,因?yàn)殡姵丶夹g(shù)更為成熟,所以電池一致性高,PACK成組后電池包整體穩(wěn)定性也更佳。此外,因?yàn)殡姵貑误w能量小,在發(fā)生故障時(shí)也更易于控制。當(dāng)然,這對(duì)BMS系統(tǒng)的要求也就更高。
但是,圓柱電池本身尺寸較小,僅略大于我們?nèi)粘K玫?號(hào)電池,所以18650電池本身單體容量較小。為了滿足電動(dòng)車更高的用電量,也只能通過(guò)增加數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)。比如特斯拉早先車型的電池組就是由7000多節(jié)18650電池組成,需要更強(qiáng)大的BMS系統(tǒng)對(duì)如此大數(shù)量的電芯進(jìn)行管控,這也是目前只有特斯拉一家長(zhǎng)期選用圓柱電池的原因之一。
其次,圓柱電池本身為圓柱體,相較于方形硬殼電池來(lái)說(shuō)空間利用率明顯不如前者。但好在可以在圓柱電池間的縫隙鋪設(shè)冷卻系統(tǒng),這也算是因禍得福吧。
手機(jī)電池的“放大版”:軟包電池
軟包電池可以說(shuō)是目前應(yīng)用在電動(dòng)車上最少的一種電池形式,但其實(shí)我們對(duì)它并不陌生,身邊手機(jī)里的電池絕大部分均為軟包電池。
軟包電池跟其余兩種電池形式最大的區(qū)別就在于,外殼采用的是鋁塑膜材質(zhì)。相較于其他兩種來(lái)說(shuō),電池本身的重量更輕。在同等容量下,軟包電池的重量要輕20%,容量要比方形硬殼電池高50%。所以,軟包電池的理論能量密度要更高于方形電池和圓柱電池。
( 單體軟包電池 )
此外,軟包電池的另一大優(yōu)勢(shì)就是可供模塊化定制的豐富性更高,在電池形狀的想象空間更大,對(duì)放置空間及位置要求較低。這也促使了不少混動(dòng)車型,選擇了軟包電池PACK成動(dòng)力電池組。
但軟包電池本身材質(zhì)為軟性的鋁塑膜,電池本體自我保護(hù)性較差,所以軟包電池在PACK成組后需要更堅(jiān)硬的保護(hù)殼。此外,軟包電池的布局多為疊片式,一片片軟包電池豎直疊放在一起,所以電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的布置就需要在每?jī)善姵刂g加上一層冷卻片。這樣設(shè)計(jì)不僅僅增加了電池包整體的重量,也對(duì)設(shè)計(jì)布局也有更高的要求。
( 軟包電池PACK成組 )
其次,目前軟包電池制造工藝的成熟度較低,主要的技術(shù)均掌握在日韓電池企業(yè)手中。同時(shí),軟包電池可供定制也導(dǎo)致了電池生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)及一致性的下降。加之純電車型對(duì)電池形狀的要求較低,定制化需求不大,,所以軟包電池并未能大范圍的流通起來(lái)。
還有更重要的是,軟包電池所需的鋁塑膜外殼生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜,目前也基本完全依賴進(jìn)口,所以更高的采購(gòu)成本也導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)電動(dòng)車廠基本沒有選擇軟包電池的案例。當(dāng)然,前途K50除外。
動(dòng)力電池的未來(lái)還有很長(zhǎng)一段路要走
三種電池形式雖各有優(yōu)劣,但就目前新能源市場(chǎng)來(lái)說(shuō),電池技術(shù)仍無(wú)法很好的滿足消費(fèi)者對(duì)續(xù)航能力的需求。雖然現(xiàn)階段純電車型的續(xù)航里程已經(jīng)開始向600km的“組別”發(fā)展,但三元鋰電池的技術(shù)已經(jīng)步出瓶頸期,同時(shí)充電速度以及充電樁的布局情況依舊存在著諸多不足。
所以,新能源車型,尤其電動(dòng)車想要進(jìn)一步發(fā)展不僅僅需要電池技術(shù)做出明顯的突破,更需要對(duì)配套設(shè)施進(jìn)行更全面的建設(shè)。
本文來(lái)源億歐,作者:王新宇
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