钜大LARGE | 点击量：584次 | 2021年11月02日
小小电池背后都有什么门道，怎么成了电动汽车行业的风向标？
电池是电动汽车的”心脏“。从电动汽车发展以来，各种技术路线百花争鸣，争论不休。其中应用最广的锂离子电芯，就有三元、磷酸铁锂、锰酸锂等多种技术路线并存的现象。同时锂离子电芯还分为方形，软包，圆柱三种结构形式。
而这越是纷繁芜杂，就越能代表了我们还在不断探索，代表了电动汽车的急切盼望：电动汽车要一颗强大的“心脏”。
有关电池包的要求
有关电动汽车的核心——电池，我们要求其安全、能量密度高、寿命长，充电时间短，同时又要性能卓越等等。而这一项一项的要求，看似苛刻，但却又无一不是电动汽车实现产业化的硬性指标。
那么比较电动汽车电池来说怎么样才算是达标？又怎么样才算是性能优越呢?毫无疑问锂离子电芯作为其最基本的单元，其优劣至关重要。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
但就拿我们最关注的安全性来说，是不是电芯安全了，电池包就安全了呢？
我们可以看到2002年，磷酸铁锂(LFP)首次被美国Valance公司产业化，随即引起了我国市场的广泛关注。从2004年开始，我国掀起了一股投资磷酸铁锂材料和磷酸铁锂动力锂离子电池的热潮，磷酸铁锂其相对稳定，安全性较高。随后，它成为我国正极材料的重要路线，争议暂告段落。
但是，随着特斯拉在动力锂离子电池使用了镍钴铝酸锂的正极材料，争论再次出现。磷酸铁锂其较低的能量密度，已经使其处于劣势。
（三元材料）
据调研发现，进入2014年以来，国内锂离子电池正极材料产业整体出现了向三元材料转移的趋势，下游的电池厂基本都在开发三元材料的电芯，也引导着上游的材料公司开始加大对三元材料的开发和生产力度。
而一系列的变化，也恰恰说明锂电行业在慢慢的摸索，慢慢走向成熟。就比如说一个电池包的安全，光靠电芯安全是远远不够的，其必须上升到一个系统的层级来。也就是说电池包的安全，靠的是整个电池系统，而不仅仅是某个单一的元素。
更何况一个安全、可靠、性能卓越的电池包，更是涉及到多领域知识的耦合，其更要一个完善、可靠的系统来实现。就好比飞机被认为是最安全的交通工具，不单单是“安全”的发动机，“安全”的结构，就能保障的，其中还综合运用了人为因素分析、软件安全性、风险管理和定量风险评估等各种先进技术来预防事故发生，可以说是系统保障了安全。
下面我们就从电池系统中抽离出其一个核心部件电池模组，浅谈一下各种不同的模组结构。
有关电池模组
电池模组可以理解为锂离子电芯经串并联方式组合，并加装单体电池监控与管理装置。电池模组的结构设计往往能决定一个电池包的性能和安全。其结构必须对电芯起到支撑、固定和保护用途。同时如何满足过电流要求，电流均匀性，如何满足对电芯温度的控制，以及是否有严重异常时能断电，防止连锁反应等等，都将是评判电池模组优劣的标准。
而随着电动汽车的发展，以及人们对性能的追求，热管理更是成为了电池模组设计的一个至关重要的环节。自然冷却已经不能满足我们的需求。风冷则由于其效率较低，且对电芯温度的一致性较难控制，而表现的力不从心。因此，高性能需求的电池模组，其热管理的解决方法已经转向液冷或相变材料。下面就介绍一下各种不同结构电芯的模组设计。
方形电池模组
方形电芯可以说是我国汽车动力锂离子电池里，应用最多的电芯了。其外壳的材质有铝、钢、以及塑胶。其电芯厚度是三种结构中最厚的，由此也造成其内部和外表面的温差较大。其模组结构也多为自然冷却和风冷的结构。
我们来看看宝马I3的电池模组设计。
我们可以看出，I3的电池模组从结构上已经具备一个高性能模组所需的要素，而一台高性能的电动汽车，就是靠着每一处的细节共同搭建而成的。当然其散热、均温以及可靠性等等，还有待市场的验证。
（▲宝马I3方形电池模组）
其电芯是VDA标准的BEV2规格，模组的组合方式为1P12S，被四周的厚铝板固定。铝板间通过焊接组合在一起，并将从控采集板安装于模组的侧面。
其模组结构非常牢固，但同时也是不可拆卸的。模组与模组之间的强电连接采用导线的形式，并专门开发了连接器，方便接插。同时，不论强电线还是采集线都采用了目前比较可靠，接触内阻较小的超声波焊接与连接片进行连接。而连接片则是采用激光焊接的方式与电芯进行连接。
NTC则是固定在连接片上进行温度的采集。完成后，上表面还用一片吸塑盘进行覆盖保护。可以看得出，整个模组完成下来，结构非常牢固可靠，而所有的连接也都比较整齐有序。
当然，还有最关键的一点，电芯的热管理。
I3模组的设计是通过底部平面进行导热的。模组的底面与安装在电池箱底部的冷却管道接触，而冷却管道中则是制冷剂。此设计冷却管道可以平铺于箱体底部，其结构简洁可靠，适合批量生产。
（▲宝马I3方形电池模组）
软包电池模组
软包电芯的电池包，也是近期比较热门的一种结构类型，其用在国外的电动汽车上比较多。
软包电芯的物理结构决定了其不易爆炸，一般只有外壳能承受的压力足够高，才有可能炸，而软包电芯内部压力一大，便会从铝塑膜边缘开始泄压、漏液。同时软包电芯也是几种电芯结构中，散热最好的。
目前，市面上卖得最多的还是日产的Leaf，其模组结构为全密封式的，并未考虑散热，即不散热。
而Leaf在市场上频繁反馈的容量衰减过快，与此热管理也不无关系。显然随着人们有关高性能电动汽车的追求，迫使软包电芯也必须要有主动式的热管理结构。
下面我们来看看一款WorldCongress展台上的液冷软包模组。其模组由电芯层叠而成，而电芯间有间隔排布的液冷板，其保证每颗电芯都有一个大面接触到液冷板，并充分发挥了软包电芯液冷的优势。
（▲液冷软包电池模组）
当然软包电芯要将液冷技术做成熟也并非易事，其必须考虑液冷板的固定，密封性，绝缘性等等。同时可靠的电连接，以及具有“保险丝”结构连接片，这都是高性能软包模组的方向。
我们可以看到软包电芯其配合完善的模组结构后，其优势会得以凸显。
圆柱电池模组
圆柱电芯可谓是在各类电子产品中，应用最广泛的结构。如今，在电动汽车行业也占有一定得份额。最典型的即是18650电芯了，其工艺经过多年的沉淀，并在大规模的自动化生产的条件下，现今属于最成熟，稳定且一致性最好的电芯。
而圆柱电芯更是有着目前最高的能量密度，其三元材料的电芯能做到210~250Wh/kg。国内目前的圆柱电池包多为自然冷却或风冷的结构，其效果不尽如人意。
我们来看看，将圆柱型电芯推到风口浪尖上的特斯拉电池模组。
相信已经有不少人见过特斯拉的模组了：
组成一台特斯拉汽车要7000多颗18650电芯，一个模组则要400多颗电芯，同时为了高性能的目标又要在模组上集成多项功能，可见其工作量和难度之大。其中，甚至还用上了一些跨行业的技术，使人眼前一亮，为之拍案。好比电芯连接的“保险丝”设计。
可以说，身处电池行业的人，反而很少有人能想得到，这也许就是当局者迷吧。而这一技术的应用则极大地提高了电池的安全性能。同时，还有液冷管道的应用，极大地解决了18650电芯的散热和均温的问题，这对电池的性能和寿命都是一个极大的帮助。不仅如此，其电池模组在空间尺寸上的利用，更可谓是精打细算。
在这里还是要佩服一下特斯拉将事情做到极致的态度，也就是这样一个模组，成为了一个高性能的特斯拉电池包所必不可少的核心部件。
（▲特斯拉圆柱形电池模组）
（▲特斯拉圆柱形电池模组）
电动之心
通过以上一些简单的列举，我们不难看出，无论何种结构的电芯其实都不乏一些好的应用范例。而有关锂离子电芯，假如作为一款革命性的产品，目前看来仍有很多不足和局限。但我们与其一味坐等材料的发展，不如多考虑一下，如何做好电池模组，做好电池系统。而这也是我们打造一颗强大“电动之心”的必经之路。
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