電池是電動(dòng)汽車的”心臟“。從電動(dòng)汽車發(fā)展以來(lái)，各種技術(shù)路線百花爭(zhēng)鳴，爭(zhēng)論不休。其中應(yīng)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(shù)路線并存的現(xiàn)象。同時(shí)鋰離子電芯還分為方形，軟包，圓柱三種結(jié)構(gòu)形式。

 

而這越是紛繁蕪雜，就越能代表了我們還在不斷探索，代表了電動(dòng)汽車的急切盼望：電動(dòng)汽車需要一顆強(qiáng)大的“心臟”。

 

 

對(duì)于電動(dòng)汽車的核心——電池，我們要求其安全、能量密度高、壽命長(zhǎng)，充電時(shí)間短，同時(shí)又要性能卓越等等。而這一項(xiàng)一項(xiàng)的要求，看似苛刻，但卻又無(wú)一不是電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的硬性指標(biāo)。

 

那么對(duì)比電動(dòng)汽車電池來(lái)說(shuō)怎么樣才算是達(dá)標(biāo)？又怎么樣才算是性能優(yōu)越呢?毫無(wú)疑問(wèn)鋰離子電芯作為其最基本的單元，其優(yōu)劣至關(guān)重要。

 

但就拿我們最關(guān)注的安全性來(lái)說(shuō)，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(guó)Valance公司產(chǎn)業(yè)化，隨即引起了中國(guó)市場(chǎng)的廣泛關(guān)注。從2004年開始，我國(guó)掀起了一股投資磷酸鐵鋰材料和磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的熱潮，磷酸鐵鋰其相對(duì)穩(wěn)定，安全性較高。隨后，它成為我國(guó)正極材料的主要路線，爭(zhēng)議暫告段落。

 

但是，隨著特斯拉在動(dòng)力電池使用了鎳鈷鋁酸鋰的正極材料，爭(zhēng)論再次出現(xiàn)。磷酸鐵鋰其較低的能量密度，已經(jīng)使其處于劣勢(shì)。

據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入2014年以來(lái)，國(guó)內(nèi)鋰電池正極材料產(chǎn)業(yè)整體出現(xiàn)了向三元材料轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，下游的電池廠基本都在開發(fā)三元材料的電芯，也引導(dǎo)著上游的材料企業(yè)開始加大對(duì)三元材料的開發(fā)和生產(chǎn)力度。

 

而一系列的變化，也恰恰說(shuō)明鋰電行業(yè)在慢慢的摸索，慢慢走向成熟。就比如說(shuō)一個(gè)電池包的安全，光靠電芯安全是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，其必須上升到一個(gè)系統(tǒng)的層級(jí)來(lái)。也就是說(shuō)電池包的安全，靠的是整個(gè)電池系統(tǒng)，而不僅僅是某個(gè)單一的元素。

 

更何況一個(gè)安全、可靠、性能卓越的電池包，更是涉及到多領(lǐng)域知識(shí)的耦合，其更需要一個(gè)完善、可靠的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。就好比飛機(jī)被認(rèn)為是最安全的交通工具，不單單是“安全”的發(fā)動(dòng)機(jī)，“安全”的結(jié)構(gòu)，就能保障的，其中還綜合運(yùn)用了人為因素分析、軟件安全性、風(fēng)險(xiǎn)管理和定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等各種先進(jìn)技術(shù)來(lái)預(yù)防事故發(fā)生，可以說(shuō)是系統(tǒng)保障了安全。

 

下面我們就從電池系統(tǒng)中抽離出其一個(gè)核心部件電池模組，淺談一下各種不同的模組結(jié)構(gòu)。

 

 

電池模組可以理解為鋰離子電芯經(jīng)串并聯(lián)方式組合，并加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置。電池模組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往能決定一個(gè)電池包的性能和安全。其結(jié)構(gòu)必須對(duì)電芯起到支撐、固定和保護(hù)作用。同時(shí)如何滿足過(guò)電流要求，電流均勻性，如何滿足對(duì)電芯溫度的控制，以及是否有嚴(yán)重異常時(shí)能斷電，避免連鎖反應(yīng)等等，都將是評(píng)判電池模組優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

 

而隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，以及人們對(duì)性能的追求，熱管理更是成為了電池模組設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。自然冷卻已經(jīng)不能滿足我們的需求。風(fēng)冷則由于其效率較低，且對(duì)電芯溫度的一致性較難控制，而表現(xiàn)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(jīng)轉(zhuǎn)向液冷或相變材料。下面就介紹一下各種不同結(jié)構(gòu)電芯的模組設(shè)計(jì)。

 

 

方形電芯可以說(shuō)是我國(guó)汽車動(dòng)力電池里，應(yīng)用最多的電芯了。其外殼的材質(zhì)有鋁、鋼、以及塑膠。其電芯厚度是三種結(jié)構(gòu)中最厚的，由此也造成其內(nèi)部和外表面的溫差較大。其模組結(jié)構(gòu)也多為自然冷卻和風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)。

 

我們來(lái)看看寶馬I3的電池模組設(shè)計(jì)。

 

我們可以看出，I3的電池模組從結(jié)構(gòu)上已經(jīng)具備一個(gè)高性能模組所需的要素，而一臺(tái)高性能的電動(dòng)汽車，就是靠著每一處的細(xì)節(jié)共同搭建而成的。當(dāng)然其散熱、均溫以及可靠性等等，還有待市場(chǎng)的驗(yàn)證。

（▲ 寶馬I3方形電池模組）

 

· 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(jié)構(gòu)類型，其用在國(guó)外的電動(dòng)車上比較多。

 

軟包電芯的物理結(jié)構(gòu)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(nèi)部壓力一大，便會(huì)從鋁塑膜邊緣開始泄壓、漏液。同時(shí)軟包電芯也是幾種電芯結(jié)構(gòu)中，散熱最好的。

 

目前，市面上賣得最多的還是日產(chǎn)的Leaf，其模組結(jié)構(gòu)為全密封式的，并未考慮散熱，即不散熱。

 

而Leaf在市場(chǎng)上頻繁反饋的容量衰減過(guò)快，與此熱管理也不無(wú)關(guān)系。顯然隨著人們對(duì)于高性能電動(dòng)車的追求，迫使軟包電芯也必須要有主動(dòng)式的熱管理結(jié)構(gòu)。

 

下面我們來(lái)看看一款World Congress展臺(tái)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(gè)大面接觸到液冷板，并充分發(fā)揮了軟包電芯液冷的優(yōu)勢(shì)。

（▲ 液冷軟包電池模組）

 

當(dāng)然軟包電芯要將液冷技術(shù)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(shí)可靠的電連接，以及具有“保險(xiǎn)絲”結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)后，其優(yōu)勢(shì)會(huì)得以凸顯。

 

圓柱電池模組

 

圓柱電芯可謂是在各類電子產(chǎn)品中，應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。如今，在電動(dòng)汽車行業(yè)也占有一定得份額。最典型的即是18650電芯了，其工藝經(jīng)過(guò)多年的沉淀，并在大規(guī)模的自動(dòng)化生產(chǎn)的條件下，現(xiàn)今屬于最成熟，穩(wěn)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(guó)內(nèi)目前的圓柱電池包多為自然冷卻或風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)，其效果不盡如人意。

 

我們來(lái)看看，將圓柱型電芯推到風(fēng)口浪尖上的特斯拉電池模組。

 

相信已經(jīng)有不少人見(jiàn)過(guò)特斯拉的模組了：

 

組成一臺(tái)特斯拉汽車需要7000多顆18650電芯，一個(gè)模組則需要400多顆電芯，同時(shí)為了高性能的目標(biāo)又要在模組上集成多項(xiàng)功能，可見(jiàn)其工作量和難度之大。其中，甚至還用上了一些跨行業(yè)的技術(shù)，使人眼前一亮，為之拍案。好比電芯連接的“保險(xiǎn)絲”設(shè)計(jì)。

 

可以說(shuō)，身處電池行業(yè)的人，反而很少有人能想得到，這也許就是當(dāng)局者迷吧。而這一技術(shù)的應(yīng)用則極大地提高了電池的安全性能。同時(shí)，還有液冷管道的應(yīng)用，極大地解決了18650電芯的散熱和均溫的問(wèn)題，這對(duì)電池的性能和壽命都是一個(gè)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(xì)算。

 

在這里還是要佩服一下特斯拉將事情做到極致的態(tài)度，也就是這樣一個(gè)模組，成為了一個(gè)高性能的特斯拉電池包所必不可少的核心部件。

電動(dòng)之心

 

通過(guò)以上一些簡(jiǎn)單的列舉，我們不難看出，無(wú)論何種結(jié)構(gòu)的電芯其實(shí)都不乏一些好的應(yīng)用范例。而對(duì)于鋰離子電芯，如果作為一款革命性的產(chǎn)品，目前看來(lái)仍有很多不足和局限。但我們與其一味坐等材料的發(fā)展，不如多考慮一下，如何做好電池模組，做好電池系統(tǒng)。而這也是我們打造一顆強(qiáng)大“電動(dòng)之心”的必經(jīng)之路。