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新能源電動(dòng)汽車(chē)為何選用18650電池

作者: 時(shí)間:2017-10-25 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  對(duì)于用18650電芯做為新能源電動(dòng)汽車(chē)電池的技術(shù)路線,大家可能首先把目光轉(zhuǎn)向特斯拉。特斯拉在進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)電池開(kāi)發(fā)時(shí),測(cè)試了很多種類(lèi)的電池,但最后把目標(biāo)鎖定在,那么究竟18650電芯有哪些優(yōu)缺點(diǎn)?本文作者為小鵬汽車(chē)團(tuán)隊(duì)工程師,他將對(duì)此進(jìn)行分析。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/368266.htm

  

  首先對(duì)18650圓柱形鋰離子電芯做簡(jiǎn)要認(rèn)識(shí)

  

  18650 其實(shí)是指電池的外形規(guī)格,是日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)電池型號(hào),其中18表示直徑為18mm,65表示長(zhǎng)度為65mm,0表示為圓柱形電池。原指鎳氫電池和鋰離子電池,由于鎳氫電池現(xiàn)在比較少用,所以現(xiàn)在多指鋰離子電池。18650鋰離子電池單節(jié)標(biāo)稱(chēng)電壓一般為 3.6V 或3.7V;最小放電終止電壓一般為2.5~2.75V。常見(jiàn)容量為1200~3300mAh。

  關(guān)于一致性

  是最早、最成熟、最穩(wěn)定的鋰離子電池,廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中。多年來(lái),日本廠商在18650電池的生產(chǎn)工藝上積累了大量的經(jīng)驗(yàn),使得產(chǎn)出的18650電池的一致性、安全性都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。

  相比之下,層疊式鋰離子電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有成熟,常見(jiàn)的有方形電池、軟包電池,甚至連尺寸、大小、極耳位置等都不統(tǒng)一,電池廠商所具備的生產(chǎn)工藝也不能滿(mǎn)足條件,大多數(shù)以人為控制為主,電池的一致性達(dá)不到18650電池的水準(zhǔn)。如果電池的一致性達(dá)不到要求,大量電池串、并聯(lián)形成的電池組的管理也將不能讓每個(gè)電池的性能更好地發(fā)揮,而18650電芯可以解決這一問(wèn)題。

  總結(jié)來(lái)說(shuō),18650電池的單體容量小,所需的單體數(shù)量會(huì)很多(Model S有7104只),但是一致性很好;層疊式電池的容量可以做得較大(20 Ah到60 Ah),單體數(shù)量可以降低,但是一致性差。相比之下,現(xiàn)階段很難投入大量的人力物力與電池供應(yīng)商一起去改善層疊式電池的生產(chǎn)工藝。因此,在研發(fā) Roadster和Model S的時(shí)候,Tesla的唯一選擇是從市場(chǎng)上去購(gòu)買(mǎi)電池,自行開(kāi)發(fā)電池系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)一套管理6000多節(jié)單體一致性很好的電池系統(tǒng)與開(kāi)發(fā)一套200多節(jié)一致性很差的電池系統(tǒng),相比之下,前者的技術(shù)難度應(yīng)該更低一些。即使單體電池?cái)?shù)目增多,但是如果這些電池的性能是可靠的,管理起來(lái)還是容易一些。

  對(duì)比另一款很成功的純電動(dòng)汽車(chē),日產(chǎn)的LEAF,它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因?yàn)槿债a(chǎn)與NEC合作多年,在電池技術(shù)方面積累很深厚,在品質(zhì)控制方面有相當(dāng)?shù)墓α?。LEAF的電池來(lái)自AESC——日產(chǎn)與NEC的合資公司。

  對(duì)比下美、日、中等不同地區(qū)的汽車(chē)廠商在開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)時(shí)與電池廠商的合縱連橫是一件非常有意思的事情。

  關(guān)于散熱能力

  層疊式電池的厚度薄、表面大,均熱、散熱能力都不錯(cuò),因此日產(chǎn)LEAF很大膽地采用了被動(dòng)式熱管理系統(tǒng)(其實(shí)就是不管理?。?,由空氣的自然對(duì)流將熱量帶走。

  從左到右,LEAF從單體,到四節(jié)單體電池兩并兩串組成的電池模塊,再到由48個(gè)電池模塊串聯(lián)組成的電池組如下圖所示:

  

  可以看到,電池組上沒(méi)有任何的風(fēng)扇、冷卻液管道等熱管理系統(tǒng)。大概這就是無(wú)招勝有招。

  反過(guò)來(lái)看Tesla,18650電池的個(gè)頭比較小,在正常充放電時(shí)單體電池內(nèi)部的溫差也不會(huì)太大。但是,6000多個(gè)單體電池的溫差也應(yīng)當(dāng)保持在不超過(guò)5 C的范圍內(nèi),這是一件非常困難的事情。但是,Tesla做到了。怎么做到的?Tesla 的電池管理系統(tǒng) (BMS) 相比其他電動(dòng)汽車(chē)有哪些優(yōu)勢(shì)?

  

  如上圖,這些管道是冷卻液的流道,流道均勻分布在電池模組中間,能讓每只電芯能很好地跟水管接觸,這樣每只電芯在冷卻時(shí)帶走的熱量也幾乎一樣,溫差也就可以有效地控制在很小的范圍內(nèi)。

  總結(jié)來(lái)說(shuō),由于采用了小容量的18650電池,Tesla的熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜度是大大增加了的。也就是說(shuō),如果從散熱能力方面考慮,使用小容量的18650電池不是最優(yōu)選擇。

  關(guān)于能量密度

  談到能量密度,就必須區(qū)分單體電池的能量密度與電池組的能量密度。

  就單體電池的能量密度來(lái)看,18650電池要高于層疊式鋰離子電池。日產(chǎn)LEAF所用的33 Ah鋰離子電池的能量密度是157 Wh/kg,GM Volt所用的層疊式電池的能量密度約為150 Wh/kg;而Roadster所用的18650電池的能量密度約為211 Wh/kg。但是,18650電池的管理系統(tǒng)更加復(fù)雜,由此額外增加的重量會(huì)使得電池組的能量密度遠(yuǎn)低于單體的能量密度。Roadster的電池組重量是 450 kg,能量密度是118 Wh/kg,而LEAF電池組的重量是225 kg,能量密度是107 Wh/kg。在電池組層次,兩者的能量密度已經(jīng)不相上下。

  關(guān)于安全性

  前面提到層疊式鋰離子電池的各種優(yōu)點(diǎn),但它也有一些缺點(diǎn)。由于層疊式鋰離子電池一般是采用鋁塑膜封裝的,而鋁塑膜的厚度薄,機(jī)械強(qiáng)度差,在汽車(chē)發(fā)生碰撞等極端情況下,鋁塑膜很容易發(fā)生破損導(dǎo)致安全事故產(chǎn)生。這也就解釋了為什么日產(chǎn)要在4個(gè)單體組成的電池模塊外面再加一個(gè)鋁殼。

  18650電池一般是鋼殼,安全性更好;而且前面也提到隨著18650電池生產(chǎn)工藝水平的的不斷提高,安全性也在不斷提高。

  Tesla在應(yīng)對(duì)這些18650電池可能出現(xiàn)的安全事故上,也傾注了很多心血。如果一個(gè)單體電池出現(xiàn)溫度過(guò)高等異常情況,根據(jù)異常情況的惡劣程度,這枚電池或其所在的模組會(huì)斷電以防止事故的蔓延。由于單體容量小,只要不發(fā)生蔓延,事故的嚴(yán)重程度將是較低的。

  關(guān)于成本

  18650 鋰離子電池具有容量大、壽命長(zhǎng)、安全性能高等特點(diǎn),又因?yàn)轶w積小,重量輕,使用方便,深受消費(fèi)者的青睞。隨著人們對(duì)18650電池技術(shù)研究的不斷加深,使得電池的一致性、安全性都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。作為最早的鋰離子電池,18650電池也是目前世界上最成熟、最穩(wěn)定的電池組合,至今仍然占據(jù)領(lǐng)先位置。我國(guó)每年生產(chǎn)18650電池約幾十億節(jié),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他材料的電池。

  而Tesla采用18650電池,就可以利用日本松下等廠商之前的生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品所用18650電池競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的情況下,松下等廠商與Tesla合作升級(jí)產(chǎn)品,將原有的生產(chǎn)線改良后用于生產(chǎn)動(dòng)力電池。工業(yè)生產(chǎn)有一個(gè)規(guī)模效應(yīng),當(dāng)生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)模達(dá)到一個(gè)量級(jí)之后,成本會(huì)大大降低。一輛就需要成千上萬(wàn)節(jié)18650電池,因此單體的采購(gòu)成本可控。

  小結(jié)

  可以說(shuō),采用18650電池作為新能源電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力之源,在現(xiàn)階段是最優(yōu)的選擇。隨著電池技術(shù)工藝的成熟,同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)更多新型的電池應(yīng)用在新能源電動(dòng)汽車(chē)上。



關(guān)鍵詞: 新能源汽車(chē) 18650電池

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