圖解新能源丨圓柱、方形、軟包，電動(dòng)車電池之間的差距比你想象得大

時(shí)間:2019-11-16 18:40來(lái)源:億歐網(wǎng) 作者:綜合報(bào)道
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       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(jiàn)，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)。
 
       下面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(méi)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)傺由煲幌拢瑸槭裁炊镜蜏氐那闆r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(ài)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(kāi)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(kāi)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(ài)”：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(méi)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(kāi)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)。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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    　　1月7日，動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì)研究部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年全年我國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池裝機(jī)總量為56.89GWh，同比增長(zhǎng)56.88%，裝機(jī)量從3月開(kāi)始持續(xù)走高，6月略有下滑后繼續(xù)攀升，12月裝機(jī)量達(dá)到頂峰，高達(dá)13.36GWh，環(huán)比增長(zhǎng)49.92%。
    2019-01-08 09:20
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