解析電動汽車電池組與電池的區(qū)別

每當(dāng)我跟人講我是設(shè)計電動汽車的電池組(battery pack)的時候，人們總會問我，電池組是什么?和電池有什么區(qū)別?汽車電池和手機電池有什么區(qū)別?

如果我們把電動汽車比作一個團隊，這個團隊的運行與前進(jìn)需要各種不同背景和具有不同能力的人才，電池組就是這個團隊中不可或缺的一人，而電池只是這個人的一個器官，也就是他的心臟。

電池組最終的目的就是為電池提供各種保護和輔助，使電池的壽命更長，能夠應(yīng)對各種極端天氣和環(huán)境條件。

外殼與底座(Cover and Tray)

汽車電池和手機電池最大的區(qū)別就是汽車所經(jīng)歷的環(huán)境與手機非常不同。汽車在運行中會經(jīng)歷各種震動，以及來自外界環(huán)境的水，泥土，和沙石的侵入。因此，電池組的外殼和底座至關(guān)重要。

世面上存在的電動汽車電池組的底座一般使用鋁合金或者不銹鋼制造，而上層與汽車底盤結(jié)合的外殼則可能使用加入玻璃纖的復(fù)合材料制成。

電池組在測試中會經(jīng)過三維的震動、以及相當(dāng)于超過10年的風(fēng)吹雨打(來自不同方向的塵土和水的噴灑)，保證電池組內(nèi)部完全沒有任何外來物質(zhì)的侵入，做到滴水不漏。

值得注意的是，電池組與汽車其他組件有電線連接，而這些電線與電池組中間的連接部位也要做到滴水不漏。

溫度管理系統(tǒng)(Thermal Management System)

用戶也會期望他們的電動汽車在全年365天各種天氣條件下都能夠有出色的表現(xiàn)。汽車電池組直接影響汽車的加速度和續(xù)航距離，這與人們觀察手機電池的表現(xiàn)大大不同。

溫度管理系統(tǒng)保證了每一個單電池的溫度都是全年恒定的。在極端炎熱天氣下大量使用電池，能夠保證及時的散熱，防止電池的壽命減弱或者膨脹爆炸。在極端寒冷的天氣下大量使用電池，保證電池的內(nèi)部足夠溫暖，不會影響性能與壽命。

電池的散熱是用液體的冷卻劑流經(jīng)電池組的底部，再由導(dǎo)熱性極佳的冷卻板與單電池直接接觸。或者是直接空氣散熱，也就是用內(nèi)置的電風(fēng)扇。

電池的加熱保暖則是由加熱器完成，加熱器的電力來自于電池本身。所以冬天電動汽車的續(xù)航距離會稍微減少。

還有一個挑戰(zhàn)來自極端環(huán)境下的充電。由于汽車在充電的時處于關(guān)閉狀態(tài)，但是溫度管理系統(tǒng)卻需要在得知充電的時候自動啟動，保持電池組的內(nèi)部溫度，這就是說，在整輛車都處于睡眠狀態(tài)的時候，電池組仍然是醒著的。

單電池的平衡(Cell Balancing)

電池組里有許多單電池，有串聯(lián)的也有并聯(lián)的。一輛電動車的續(xù)航距離直接取決于這其中表現(xiàn)最差的那個單電池，因此保持各個單電池中的電壓和剩余的電量也至關(guān)重要。

電池組中有一個叫做VITM (voltage current temperature module)的裝置，實時測量每一個單電池的電壓電流和溫度，保證并且通過一系列電阻和晶體管來調(diào)節(jié)對于一個單電池的使用量，同時給溫度管理系統(tǒng)傳達(dá)指令，調(diào)節(jié)冷卻劑的流量和溫度，給電池降溫和升溫。

功率電子裝置(Power Electronics)

嚴(yán)格意義上講，功率電子裝置不屬于電池組的一部分，不過有些電池組的生產(chǎn)商將其也歸類于電池組。

功率電子裝置包括充電器(charging module)，再生制動(regenerative braking)中所用到的逆變器(inverter)，以及輔助車廂內(nèi)部能源使用的APM(accessory power module)。

充電器就是講電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換成可以直接給電池使用的直流電。但是隨著技術(shù)的革新，世面上也漸漸出現(xiàn)更多的直流充電站，直接將交流電到直流電的逆變在充電站內(nèi)完成，減少了電池組內(nèi)部這一成分的必要性。

然而，在再生制動中，來自于發(fā)電機的交流電仍然需要轉(zhuǎn)成可以供電池使用的直流電，在汽車的行進(jìn)中，來自電池的直流電也必須轉(zhuǎn)成可以供電機使用的交流電，這其中就又會用到一個逆變器。

APM則是將大電池組的功率降低給一般的12V電池，供汽車內(nèi)部的照明、收音機和CD播放器、儀表盤、空調(diào)等電力使用。由于是電池與電池中間的轉(zhuǎn)換，則需要轉(zhuǎn)換器，而非逆變器。

直流電的變壓沒有交流電的變壓那么容易，交流電變壓只需要一個變壓器就可以，而直流電的電壓轉(zhuǎn)換則需要一個逆變器將高壓直流電轉(zhuǎn)換成高壓交流電，一個變壓器將高壓交流電降低成低壓交流電，和一個逆變器將低壓交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電。

這個過程比較繁瑣，所以工業(yè)上也會用到降壓變換器(buck converter)或升壓變換器，其構(gòu)造為一個晶體管或者二極管，感應(yīng)器，和電容器。

總結(jié)

電動汽車的未來取決于汽車電池的革新。新一代的電池需要更長的壽命，更高的能量密度，增加電動汽車的續(xù)航距離和持久的性能。單電池離不開電池組，就像心臟離不開身體，里面每一個器官都起到支撐和輔助作用。

我們花了很長一段時間將鉛酸電池拋之腦后，開始使用鎳電池，又花了很長一段時間才開始普及鋰電池。鋰電池的化學(xué)種類繁多，用途也很廣。

在我們等待下一個新的電化學(xué)技術(shù)的到來之前，電池組內(nèi)部的革新以及不斷改進(jìn)，將會決定短期內(nèi)電動車的走勢，使得電動車在不同環(huán)境的挑戰(zhàn)下依然耐用持久。