三元鋰電成主流？江淮iEV5電池工藝揭秘

說到三元鋰電池，之前最廣泛應(yīng)用于乘用車的案例就是特斯拉了，而國內(nèi)的電動汽車制造商主要力推的是的磷酸鋰鐵電池。三元鋰電池（鎳鈷錳）主要安全及熱穩(wěn)定性低（相對磷酸鐵鋰材料而言）的缺點，但是三元鋰電池在能量密度和單體產(chǎn)品成本方面有比較明顯優(yōu)勢。而隨著電池電量、熱量管理技術(shù)的逐步成熟，如北汽、長安以及之前一直堅持使用磷酸鐵鋰電池的比亞迪都在其最新研發(fā)的產(chǎn)品中開始使用三元鋰電池。而地處中國內(nèi)地的江淮汽車在今年率先在其第五代純電動汽車江淮iEV5（下稱iEV5）上使用了18650三元鋰電池作為儲能單元，相信不少網(wǎng)友存在車用三元鋰電池模塊究竟是如何制造的這樣的疑問，今天我們就走進淮汽車為您進行揭秘。

于今年4月在上海車展上市的江淮iEV5是國內(nèi)第一款采用18650鋰電池組件作為儲能單元的純電動車型。該車具有23kWh的電池容量，廠商公布的最高續(xù)航里程可達240km，使用專用充電樁進行直流電充電只需1小時即可充入80%的電量（220V家用電充電8小時充滿），完全滿足日常使用的需求。該車的廠商指導(dǎo)價格為18.08萬元，不過從上的車主成交價格來看，北京、上海、湖北、安微等地的裸車價格均不到10萬元，是一款性價比很高的城市短途代步用車。

●什么是三元鋰電池

目前車用動力電池已經(jīng)經(jīng)過了最初的一次性電池（上世紀(jì)1873年，戴維森剛剛發(fā)明電動汽車時）到鉛酸電池，再從鎳氫電池到鋰電池為主的現(xiàn)代車用動力電池格局。鋰電池具有每千克重量儲能多（能量密度大）以及可循環(huán)次數(shù)大的優(yōu)勢，所謂的“三元鋰電池”簡單來講就是電池正極材料由三種金屬元素與鋰共同構(gòu)成的鋰電池種類，如目前大量應(yīng)用的鎳鈷錳酸鋰電池，下面我們就首先來了解一下鋰電池的各種特性。

鉛酸電池污染大、能量密度低主要作為汽車電瓶使用，在這里我們就不做介紹了。鎳電池在單體能量密度上低于鋰電池，不過在鋰電池還未大量普及的時代，電動車多以鎳氫或是鎳鎘電池作為儲能單元。在混合動力明星車型普銳斯上就大量使用了鎳氫電池，而且普銳斯在鎳氫電池技術(shù)方面有獨到之處，廠家宣稱其搭載的鎳氫電池壽命超過10年。不過我們也知道，在新一代普銳斯上也開始搭載鋰電池了……

如果不具備豐田在電池壽命管理上的“黑科技”那么使用技術(shù)更加先進的鋰電池就成了各個車企的最佳選擇。錳酸鋰電池目前啟辰將其應(yīng)用于晨風(fēng)之上，其應(yīng)用技術(shù)比較成熟，但是能量密度、電池循環(huán)壽命同磷酸鐵鋰電池和鎳鈷錳酸鋰電池相比都低了不少，基本同鎳氫電池相當(dāng)；而比亞迪使用的磷酸鐵鋰電池在電池循環(huán)壽命以及能量密度方面都有由于錳酸鋰電池和鎳氫電池的表現(xiàn)。

而以鎳鈷錳酸鋰電池為代表的最新一代的三元鋰電池(正極材料由三種材料構(gòu)成)，不論是電池循環(huán)次數(shù)還是最重要的每千克儲能數(shù)量都有了質(zhì)的提升。單純從這方面來看，三元鋰電池確實是現(xiàn)階段新能源汽車上動力電池的最佳選擇。

鋰電池可以有多種形狀，除了18650這種金屬外殼圓柱狀電池之外，還有外殼為鋁塑材料的軟包裝形式以及方形電池種類。其中鋁塑包裝的軟殼電池是目前應(yīng)用最為靈活的鋰電池形式，其大小、厚度都可以自由定制，而且可以多片堆疊，具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用靈活性。

當(dāng)然，除了以上的常見的鋰電池制式之外，還有各大電池生產(chǎn)商為車企定制的“高階版本”鋰電池包，它們目前在新能源汽車上使用也比較多。如三星SDI為寶馬i3和i8定制的高壓鋰電池包，有著同小型鉛酸蓄電池一樣的外觀。而應(yīng)用在日產(chǎn)聆風(fēng)上產(chǎn)自AESC的鋰電池包則為片狀，起保護作用的金屬殼內(nèi)包裹的是普通軟包鋰電池。

不過三元鋰電池也有一些先天的劣勢，它相比磷酸鐵鋰電池來講更加“嬌氣”：如果工作溫度過高則會永久性地影響電池壽命，溫度太高還會起火燃燒甚至爆炸。鋰電池燃燒時釋放的高溫氣體甚至能夠直接燒穿3mm厚的鋁板，因此如何為電池提供一個安全穩(wěn)定的工作環(huán)境就成了各個廠家工程師們思考的問題。比如江淮汽車早在2011年就生產(chǎn)了少量鋰電池版本的同悅第二代電動車以驗證電動車搭載18650電池的可靠性，經(jīng)過四年的技術(shù)驗證，終于在iEV5上正式將這一技術(shù)量產(chǎn)化。

●與特斯拉18650電池技術(shù)的不同

就像前面說到的一樣，鋰電池十分嬌氣，在成百上千個鋰電池緊密排布構(gòu)成的電池組中，如果一顆電池發(fā)生短路故障之后釋放的熱量極易導(dǎo)致連鎖反應(yīng)牽連到周圍的電池。所以為了將鋰電池更加安全地放在車上，工程師們想了不少辦法。以特斯拉為例，它的7000余只18650電池每只都有獨立的保險絲，能在單只電池電流過大時及時斷開與之的電路連接，并且電池組采用循環(huán)液冷設(shè)計，能夠及時帶走電池產(chǎn)生的熱量，使它們工作在一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境之中。

普通18650電池只有正極才有安全泄壓結(jié)構(gòu)。電池發(fā)生故障時產(chǎn)生的熱量和氣體只能從一個方向排出。因此電池容易發(fā)生橫向的鼓包或是炸裂，這在排布緊密的動力電池組件中可以說是災(zāi)難性的結(jié)果。所以華霆動力和天津力神的工程師們在研發(fā)江淮iEV系列上使用的18650鋰電池組時，比特斯拉的電池組安全策略又進了一步：他們對單個18650電池的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。增加了電池負極的泄壓機構(gòu)，在發(fā)生故障之后電池產(chǎn)生的熱量和氣體能在水平方向上有兩個通道釋放，進而不會產(chǎn)生電池爆炸，將其對水平方向上布置的其它電池的影響降到最低。

而對整組電池的安全保障方面，江淮電動車電池組采用的安全策略同特斯拉基本一致，不過現(xiàn)在看來江淮甚至?xí)⑽⒏呙饕恍?。二者都在單個電池與電池組之間設(shè)計了保險結(jié)構(gòu)，能夠保證單個電池在電流過大時通過熔斷的方式來斷開個別電池。特斯拉采用的是單根保險絲的設(shè)計，江淮iEV系列的電池則采用了帶有彈性的榮短片設(shè)計。我們知道車輛在日常行駛中震動一直如影隨形，江淮采用的電池負極連接物為螺旋狀的彈性熔斷片，能夠吸收更多的震動。設(shè)計上更加高明，理論上對惡劣環(huán)境的應(yīng)對能力也更強，也更加適合國內(nèi)的用車環(huán)境。

●電池組揭秘

江淮汽車將iEV5的電池組件委托給了合肥日上電器生產(chǎn)。在這里，我們將揭開iEV5三元鋰電池的神秘面紗，了解這款電池包的生產(chǎn)過程以及在技術(shù)上有著怎樣的獨到之處。

iEV5上使用的電池包容量為23kWh，比iEV4高出3.8kWh。得益于電動機以及電池的更新?lián)Q代，使得iEV5的續(xù)航里程比前代車型高出40公里。電動機最高功率比前代車型高出11馬力，最大扭矩則提升至215牛·米比iEV4高出45牛米。

電池包的上殼體采用質(zhì)量較輕的高分子復(fù)合材料制成，由于這個部分直接和車體底盤相連，iEV5采取的措施是將車身底部結(jié)構(gòu)進行強化用以保護電池包，因此在結(jié)構(gòu)上不需要做加強。

同電池包上殼體不同，電池包的下殼體格外堅固。整個殼體大體上由兩層鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，外層還有塑料護板，其中高強度鋼材的使用比例達到了63%，整個電池包具有IP67等級的防護密封效果。

● 什么是IP67密封等級

IP（INGRESS PROTECTION）防護等級系統(tǒng)是由成立于1906年的國際電工委員會（IEC）所起草，將電器依其防塵防濕特性加以分級。IP防護等級是由兩位數(shù)字所組成，第一位數(shù)字表示電器防塵、防止外物侵入的等級，由低至高分為0-6級；第二位數(shù)字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度，分為0-8級，數(shù)字越大表示其防護等級越高。感興趣的朋友可以看看《百度百科》上對它的解釋。

接下來就來看看電池包的內(nèi)部，在電池包內(nèi)占用面積最大的自然是電池了，不過動力電池最重要的還有電池管理系統(tǒng)，簡稱為BMS。江淮iEV5電池包的電量管理系統(tǒng)采用了華霆動力的管理方案，這家公司可能大家比較陌生，不過他們的技術(shù)負責(zé)人曾在硅谷工作，參與了特斯拉Roadster的研發(fā)工作，并于2009年，也就是Roadster發(fā)布之前回國創(chuàng)業(yè)。那時，特斯拉的專利技術(shù)還未公開，華霆動力車用電池包的研發(fā)過程中采用了與特斯拉不同的設(shè)計理念，在技術(shù)上規(guī)避開了特斯拉的專利壁壘，開發(fā)出了適合中國市場環(huán)境的電池技術(shù)。

iEV5的電池管理系統(tǒng)可以讓電池包在長壽命充電模式和長里程充電模式下工作，這是它的最大特色，在長壽命模式下，電池充電和使用都被嚴(yán)格控制在對電池壽命最優(yōu)的模式之下，不會過度充電也不會被過度放電。而在長里程充電模式下，電池會被以接近飽和容量的電量進行充電，盡可能多的塞進更多能量以供車輛行駛更多里程。

具體到單節(jié)電池上，這些18650電池由天津力神電池提供。這個廠家之前為摩托羅拉、三星等知名廠商代工生產(chǎn)鋰電池的經(jīng)驗。iEV5電池包所采用的鋰電池單個電池容量為2200mAh，相比特斯拉上使用的松下3200mAh的電池在容量上要小近1/3，在電池單體容量方面，iEV5的電池包還有提升空間。不過容量方面的犧牲換來的是產(chǎn)品可靠性與一致性的提升，因為需要大規(guī)模使用18650鋰電池，如果單顆電池出現(xiàn)質(zhì)量問題，容易引起整個電池包的質(zhì)量穩(wěn)定性下降。因此在車用鋰電池領(lǐng)域，穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性的要求高過電池容量。

電池組的焊接全部經(jīng)由機器自動完成，工人只負責(zé)“裝料”以及檢查焊接質(zhì)量。上圖為電池負極的超聲波焊接工序，由于負極材料為具有保險絲功能的熔斷片，高溫會使其融化。因此不能使用高溫的電阻焊方式進行焊接，只能使用焊接產(chǎn)熱更少的超聲波焊接。圖中左上方的顯示屏即為焊點實時放大圖像，用于及時監(jiān)控和判斷是否存在焊接質(zhì)量問題。

江淮iEV5的電池包共使用2944顆18650電池，構(gòu)成方式為：每32顆18650電池并聯(lián)成一個電池包中最基本的單元，而整個電池包由92個這樣的電池單元串聯(lián)而成。

大量的鋰電池密集排布會帶來一個溫度控制的問題，鋰電池，尤其是三元鋰電池對工作溫度要求較高，在工作時需要一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境。特斯拉由于電池經(jīng)常需要大電流工作，發(fā)熱量更高，所以在這方面采取的措施是將整個電池組包裹在冷卻液中，通過液冷的方式主動管控電池包工作溫度。而江淮iEV5的電池包發(fā)熱量不及特斯拉，因此采用的是風(fēng)冷的方式進行電池?zé)峁芾怼?/p>

與上一代車型采用的常溫風(fēng)冷技術(shù)不同，這代iEV5的電池包內(nèi)集成了一個專用的蒸發(fā)器和風(fēng)機。這個蒸發(fā)器同車載空調(diào)系統(tǒng)相連，直接調(diào)用iEV5上搭載的電動空調(diào)壓縮機為其工作。布置在電池包正中央的蒸發(fā)器和風(fēng)機將電池包內(nèi)的空氣帶動循壞。氣流循環(huán)流向如圖中所示，能夠及時為每一塊電池降溫，將電池包的溫度控制在一個恒定的范圍之內(nèi)。而據(jù)江淮汽車的技術(shù)人員透露，采用液冷技術(shù)的電池包也在未來的開發(fā)計劃之中。介于目前的空調(diào)風(fēng)冷系統(tǒng)已經(jīng)能夠保持電池包溫度恒定的情況，因此從開發(fā)液冷電池包的信息可以推斷，未來江淮的電動車電池容量以及電動機功率還將有所提升。

文章總結(jié)：

三元鋰電池的優(yōu)勢在于其能量密度和電池循環(huán)次數(shù)上，從目前的技術(shù)發(fā)展來看，三元鋰電池是純電動汽車儲能單元的最優(yōu)解。之前國內(nèi)的純電動汽車生產(chǎn)廠商因為成本或是技術(shù)原因沒有采用三元鋰電池作為儲能單元，但是現(xiàn)在我們看到不僅是江淮，北汽、長安甚至是一直力推磷酸鐵鋰電池的比亞迪都開始使用三元鋰電池了。從這次對江淮iEV5電池包生產(chǎn)過程與技術(shù)的了解來看，針對三元鋰電池的特性，需要攻克和掌握的技術(shù)問題已經(jīng)基本得到解決；而18650電池產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性也能通過向大品牌電池生產(chǎn)商采購得到解決。在中國品牌電動汽車生產(chǎn)領(lǐng)域限制三元鋰電池普及的最大兩個技術(shù)障礙在目前看來正在被逐漸克服，因此我們有理由相信，將會有越來越多采用三元鋰電池作為儲能單元的新能源車型出現(xiàn)。