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圖解新能源丨圓柱、方形、軟包，電動車電池之間的差距比你想象得大

時間:2019-11-16 18:40來源:億歐網(wǎng) 作者:綜合報道
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       我們通常都喜歡將“電池、電驅、電控”統(tǒng)稱為了新能源車的“三電“系統(tǒng)，通過三者之間的”鼎力配合”最終讓一臺電動車跑起來，變身成為一臺能實現(xiàn)代步功能的純電動汽車。從簡單意義上見，所謂的“三電”無外乎就是電機、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，電動汽車的核心硬件之一——電池。
 
       關于電池的“秘密”都有哪些？
 
       現(xiàn)階段已知的電動車電池有兩種，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)讓比亞迪名揚天下的“鐵電池”。只不過磷酸鐵鋰電池的活性較差，導致其能量密度低，無法提供更長的續(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能機構。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 ）
 
       無論是那種鋰電池，其本質上的結構都是大同小異的。均由正極、負極、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”電解液和隔膜到達負極，嵌入負極材料中。而放電過程則正相反，鋰離子從負極脫出“游向”正極。簡單來說，鋰電池的充放電過程就是鋰離子在正負極之間來回“游動”實現(xiàn)的。
（ 電池充放電原理示意圖 ）
 
       推動鋰離子來回“游動”的就是電流。所以我們可以簡單的將快充理解為鋰離子身后有一個大功率推進器，快速且強行推動鋰離子從正極“游到”負極，而慢充就是一個小功率推進器，帶著鋰離子慢悠悠的從正極“游向”負極。
（ 鋰枝晶生長過程 ）
 
       那為什么快充會對電池造成一定影響呢？很簡單，很多有大功率推進器的鋰離子從正極“瘋狂游向”負極，而到了負極還沒上岸（嵌入負極），后面的又一個鋰離子便也沖了過來，兩個鋰離子撞到一起“撞死”失去活性。如此一來，電池便損失了一個鋰離子。長此以往下，“死去”的鋰離子便會對堆積到一起，形成鋰枝晶。很多電池爆燃情況的發(fā)生，大多都是鋰枝晶過長刺破隔膜致使電池內(nèi)部短路而導致的。
（ 電池內(nèi)阻增大 ）
 
       另外我們再延伸一下，為什么冬季低溫的情況下，電動車的續(xù)航會大幅縮水呢？前面說到過，電池的放電過程就是鋰離子從負極脫嵌，經(jīng)過電解“液回”到正極。而低氣溫情況下，電解液會變得“粘稠”甚至與“結冰”。這意味著鋰離子從負極“游回”正極的過程變得更困難，需要更大功率的推進器推動鋰離子，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，進而導致了驅動車輛的電能減少。這便是冬季電動車續(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，目前常說的“電池包”和“動力電池組”并未單一電池體，而是由若干個電芯（單體電池），導電排、采樣單元及一些必要的結構支撐部件集成在一起構成一個模塊后，才能被稱之為“電池包”或“動力電池組”。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是目前應用范圍最廣的電池形式，現(xiàn)階段除特斯拉之外，有超過90%的新能源車型均采用這一電池形式。以寧德時代為代表的國內(nèi)主流電池供應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)勢之一：供應商足夠多。對于車企來說，這也意味著可以有效降低電池的采購成本。
（ 方形硬殼電池PACK成組 ）
 
       此外，方形硬殼電池本身擁有更高的空間利用率，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了180Wh/kg。同時。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BMS電池管理系統(tǒng)要求的降低。
 
       但方形硬殼電池的劣勢在于，PACK成組前，電池本身便需要單獨的外層硬質保護殼，這意味著電池包整體重量的大幅增加。同時，更高的空間利用率也意味著對冷卻系統(tǒng)布置要求的提高，這也將進一步提升電池包的設計成本。
（ 方形硬殼電池 ）
 
       即便目前電池殼體均開始采用質量更輕的鋁制材料和更巧妙的冷卻設計，但本質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題。
 
       為了解決這一問題，寧德時代推出了自家最新的CTP高集成動力電池開發(fā)平臺，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奈之舉。其實圓柱電池的應用非常廣泛，早在1992年18650圓柱電池便已經(jīng)被大范圍的應用在電子產(chǎn)品上。18650代表的是電池的型號，“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。
（ 特斯拉動力電池組 ）
 
       18650電池的技術成熟度非常高，同時也正是因為自身結構特點和標準化，圓柱電池生產(chǎn)的自動化水平會更高。同時，國外三星、松下等主要廠家也可以將良品率保持在98%以上，國內(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間內(nèi)無法達到的水平。
（ 21700圓柱電池 ）
 
       同時圓柱電池循環(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，因為電池技術更為成熟，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，因為電池單體能量小，在發(fā)生故障時也更易于控制。當然，這對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?號電池，所以18650電池本身單體容量較小。為了滿足電動車更高的用電量，也只能通過增加數(shù)量來彌補。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，需要更強大的BMS系統(tǒng)對如此大數(shù)量的電芯進行管控，這也是目前只有特斯拉一家長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說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冷卻系統(tǒng)，這也算是因禍得福吧。
 
      手機電池的“放大版”：軟包電池
 
       軟包電池可以說是目前應用在電動車上最少的一種電池形式，但其實我們對它并不陌生，身邊手機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。相較于其他兩種來說，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，對放置空間及位置要求較低。這也促使了不少混動車型，選擇了軟包電池PACK成動力電池組。
 
       但軟包電池本身材質為軟性的鋁塑膜，電池本體自我保護性較差，所以軟包電池在PACK成組后需要更堅硬的保護殼。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，所以電池熱管理系統(tǒng)的布置就需要在每兩片電池之間加上一層冷卻片。這樣設計不僅僅增加了電池包整體的重量，也對設計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，主要的技術均掌握在日韓電池企業(yè)手中。同時，軟包電池可供定制也導致了電池生產(chǎn)標準及一致性的下降。加之純電車型對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。
 
       還有更重要的是，軟包電池所需的鋁塑膜外殼生產(chǎn)技術復雜，目前也基本完全依賴進口，所以更高的采購成本也導致了國內(nèi)電動車廠基本沒有選擇軟包電池的案例。當然，前途K50除外。
 
       動力電池的未來還有很長一段路要走
 
       三種電池形式雖各有優(yōu)劣，但就目前新能源市場來說，電池技術仍無法很好的滿足消費者對續(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已經(jīng)步出瓶頸期，同時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，尤其電動車想要進一步發(fā)展不僅僅需要電池技術做出明顯的突破，更需要對配套設施進行更全面的建設。
 
(責任編輯：子蕊)
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