电动汽车电池系统

对于电动汽车来说,电池系统是最复杂、成本最高的子系统,其核心就是储存电能的动力电池,常常被称为电动汽车的“心脏”。本节将逐一介绍电池系统的组成部分。

动力电池的构成

为了启动电动汽车,需要相当于数千倍的智能手机电量的巨大电量。因此,需要数十个乃至数千个电芯。虽然电动汽车种类不同,其组成也会存在细微差异,但是通常电动汽车电池由电芯(Cell)、电池模块(Module)、电池包(Pack)组成。

多个电芯以串联或并联的方式组成电池模块,多个电池模块再串联起来,为了安全有效地管理众多的电芯,将集成热管理系统、电池管理系统等部件,最终形成一个电池包。简单来说,电芯、模块、电池包是组成电池的单位。多个电芯组成模块,几个模块组成电池包。而电池最终以一个电池包的形态装入电动汽车。

单位 描述
电芯 也称为“电池单元”,是可以用来充电和放电的锂电池的基本单位。由正极、负极、隔离膜、电解液构成,通常封装成圆柱、方形或软包形式。
电池模块 为了保护电芯,避免外部冲击、热、振动等影响电芯正常工作,所以将一定数量的电芯联结在一起并放入一个框架中组成电池组件。
电池包 在电池模块上装配 BMS 电池管理系统、冷却系统等各种控制和保护系统制成,是装入电动汽车的电池系统的最终形态。

锂离子电池

目前,常见的二次电池(可充电电池)主要有铅酸电池(Lead-Acid)、镍镉电池(Ni-Cd)、镍氢电池(Ni-MH)、锂离子电池(Li-ion)和锂金属电池(Li Metal)几种。

通常使用体积能量密度(单位 W·h/L)和质量能量密度(单位 W·h/kg)两个指标来衡量电池的储能效率。下图是几种常见的二次电池的比较,可以看到,锂离子电池无论在体积能量密度还是质量能量密度上都具有较大优势,并且相比于锂金属电池更加安全,商业化程度更高。因此,目前量产的电动汽车均采用锂离子电池。

根据正极材料不同,锂离子电池可以分为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元锂电池等几种类型。

  • 磷酸铁锂电池(简称 LFP):安全性好、循环寿命长、原材料资源丰富,但缺点也很明显,能量密度较低、低温性能差。目前主要应用在电动大巴上。
  • 锰酸锂电池(简称 LMO):锰酸锂资源丰富、成本低、生产工艺很成熟,但其高温循环性能以及电化学稳定性差,大大限制了其产业化。
  • 钴酸锂电池(简称 LCO):钴酸锂是最早实现商业化的电池正极材料。结构稳定、容量比高、综合性能突出、但是其安全性差、成本非常高,主要用于中小型号电芯,广泛应用于笔记本电脑、手机、MP3 等小型电子设备中,标称电压 3.7V。
  • 三元锂电池(简称 NCM 或 NCA):所谓“三元”,即正极材料包含三种金属材料(镍钴锰 或 镍钴铝),三元材料综合了锰酸锂和钴酸锂等材料的优点,容量大、成本低、安全性好。其中根据镍钴锰的比例不同,又可分为“镍55电池”(镍 55%,钴 12%,锰 33%)和“NCM811电池”(镍 80%,钴 10%,锰 10%)。值得一提的是,三元材料中的钴金属是必不可少的材料,但由于金属钴价格高昂且具有毒性,近年来电池厂商都致力于三元材料电池的“少钴化”。

目前,考虑成本、安全、性能等因素,动力电池使用最多的是磷酸铁锂和三元锂电池两种。其中三元锂电池的装机量自2017年以后超越磷酸铁锂电池,占比超过一半,逐渐成为主流。

随着三元锂电池的装机量扩大和技术提升,价格快速下降,例如三元锂电池的电芯价格在短短几年内从3元/瓦时跌至目前与磷酸铁锂电池相差无几。从能量密度等方面看,磷酸铁锂电池始终有其局限性,其要达到 200Wh/kg 已非常难,而三元锂可以突破 300Wh/kg 以上。从安全方面而言,当前磷酸铁锂电池比相对活跃的三元锂电池安全些,但通过材料、工艺、设计等方面的努力,三元锂电池的安全性也可提升。此外,随着三元锂电池的技术和规模加速发展,其未来的降价空间将可能大于磷酸铁锂电池。

电芯的组成与封装

电芯(Cell)由正极(阴极,Cathode)、负极(阳极,Anode)、隔膜(separator)、电解液(Electrolyte)四部分组成,是可以用来充电和放电的锂离子电池基本单位。

根据制造工艺的不同,电芯可分为层叠(Stacking)和卷绕(Winding)两大类。其中,层叠可分为单片层叠(Single sheet Stacking)和 Z型层叠(Z-stacking),对应方形的软包电芯;卷绕可分为圆柱卷绕(Cylinderical winding)和方形卷绕(Prismatic winding),对应圆柱形锂离子电池和方形锂离子电池。

圆柱形电池因其工艺成熟,在特斯拉电动汽车上得到了大规模使用。从2008年发布其第一辆电动车 Roadster 开始, 18650 电池就一直是特斯拉汽车采用的主要电芯。例如,特斯拉 Model S 的电池板由16组电池组串联而成,并且每组电池组由444节锂电池,每74节并联形成,总共使用7104节 18650 锂电池。所谓“18650”意思是直径18毫米,长65毫米。除此之外,包括特斯拉在内的整个动力电池行业也在加速研发和生产其他型号的电芯,例如 2170 和 4680 电池。相信很快会有量产的电动汽车使用该电池。

电池管理系统

由于动力电池包含许多电芯,如何让电芯高效、安全地工作,就需要一套专门的控制管理系统 —— 电池管理系统 BMS(Battery Management System)。BMS 主要有以下五个功能:

  • 电池状态监测:对电池系统的电压、电流、温度等数据进行采集和监测,并与整车控制器和其他控制系统进行交互,这是电池管理的最基本功能。
  • 电池状态分析:对电池的荷电状态(State of Charge,SOC)进行评估,即电池还剩多少电量,该数据的精度和准确性会影响电池运行效率;另外,还要对电池的健康状态(State of Health)进行评估,主要是监测一定时间后电池容量的衰减状态,以此评估电池性能的好坏。
  • 电池安全保护:电池的过流、过充、过放、过温等都是通过电池管理系统进行检测和保护的,如果出现异常情况,会及时采取措施,如切断回路、发出警告等。
  • 能量控制管理:进行充电、放电控制管理,以及电池均衡管理,保证电池在最高效、最节能的情况下运行。
  • 电池信息管理:主要包括数据的采集、存储和传输,以及电池历史信息的存储管理等。

冷却系统

从目前的技术趋势看,内置液冷系统的电池包已经成为主流。简单的说就是在电池组中加入冷却液流动通道,让冷却液均匀通过电池包将热量带走,然后再次将冷却液制冷重新流入电池包,如此往复以达到为电池冷却的功效。

冷却剂目前以乙二醇与水混合物为主,虽然是低毒性,但是遇明火、高热或与氧化剂接触,有引起燃烧爆炸的危险;若遇高热,容器内压增大,还有开裂和爆炸的危险。电池包在与车身安装时需通过三种接口连接(锁止、电气以及冷却接口),而频繁的电池更换,打破原本静连接状态,显然会带来很多技术难度。当然,这并不是难以完成的技术,但势必会带来更多成本。

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