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动力电池的主要结构组成是什么?

来源:互联网   作者:互联网

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金九银十秋招季,上个月面试了不少优秀的同学,但有点遗憾的是,大部分同学跟我当年一样,对动力电池的理解就停留在化学原理层面,对电池结构、生产工艺等等产业化实际应用问题没有概念。这一点其实我也很理解,毕竟在学校里学的、在实验室捣腾的东西,跟产业化的实际应用肯定有差异。

为了让行业内外的朋友们了解动力电池,帮助更多优秀的同学们成为我的同行(赶紧招到合适的校招生一起干活),我打算整一整公开的行业资料,给大家写写动力电池的工艺流程、测试项目以及回收利用等产业化应用实际情况。而了解动力电池的结构组成,是理解动力电池产业化情况的基础,今天我们就先来聊一聊动力电池的结构组成。


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传统的动力电池,可分为电芯/电池单体(Cell)、模组(Module)、电池包/电池系统(Pack)三个层面,用高中生物学的概念打个比方,就是细胞、组织和器官。不同车型的动力电池设计肯定存在差异,下面我主要就典型动力电池结构进行逐一介绍。

一、电芯/电池单体

回归高中化学学过的电池原理,我们不难发现,对于一个电池单体,最简化的结构就是:正极、负极、隔膜、电解液再加上装这些东西的容器。实际量产的电芯结构没这么简单,但还是涵盖了这些基本结构。

根据封装方式、电芯形状的不同,市场上的电芯可分为三大类:方形电芯、圆柱电芯和软包电芯,前二者是用硬壳封装,钢壳、铝壳居多。在生产制造过程中,还没进行封装的电芯,被称为裸电芯。三种电池封装形式各有优劣,目前方形电芯是市场主流,具体分析我在《中日韩电池三国杀》写过,感兴趣的朋友可以再深入了解一下。

  • 方形电芯

上图最左侧是常见的方电芯成品,中间是方形电芯中裸电芯的结构示意图,最右侧是方形电芯的整体结构图。简单来讲,方形电芯可以拆分为:顶盖、裸电芯、壳体、电解液及其他零部件。

顶盖主要是正、负极极柱以及泄压阀(也称防爆阀/安全阀)。在电芯热失控产生大量气体的情况下,方形电芯上顶盖上的泄压阀会打开释放气体,避免电芯内部压力过大造成爆炸,是电芯安全的一道保障。

裸电芯的制造可采用卷绕或叠片工艺,上图的裸电芯是卷绕工序制成的,工艺方面具体待后续的生产制造篇再详聊。组成裸电芯的极片,是用铜箔/铝箔作为集流体,再涂上活性材料。极片顶部的金属箔片经裁切形成极耳,将正负极电流导出。

采用方形钢壳或铝壳作为壳体,方形电芯的散热性、可靠性好,空间利用率高,不易受外力破坏。方形电池的尺寸可以根据车型需求进行定制化设计,而由此带来的问题就是型号多,难以标准化。

不过终归是瑕不掩瑜,对于特斯拉、大众等车企而言,方形电芯就是真香的代名词。特斯拉过往用的多是圆柱电芯,这两年跟宁德时代签了不少方形电芯的单子。大众集团在今年的电池日宣布,将采用方形电芯作为标准化电芯,推进电芯标准化以降低成本。

  • 圆柱电芯

典型的圆柱电芯结构包括:正极极片、负极极片、隔膜、电解液、外壳、盖帽/正极帽、垫片、安全阀等。圆柱电芯一般以盖帽为电池正极,以外壳为电池负极。

圆柱电芯标准化程度较高,常见的型号有:14650、14500(5号电池)、18650、21700等。型号的的前两位数字代表圆柱电芯的直径(单位mm),第3、4位代表圆柱电芯的高度(单位mm),0指的是圆柱。特斯拉现在用的圆柱电池是18650和21700,未来还有4680(一款腰更粗个子更高的电池)将投入批量应用。

圆柱电芯比表面积大,散热效果好,且投入市场应用早,生产工艺成熟,与方形电芯、软包相比,主要的相对优势是良品率高、一致性好,但劣势在于空间利用率、成组效率低。

  • 软包电芯

软包电芯其实很常见,我们的手机用的就是小型软包电芯。动力电池的软包电芯更大,铝塑包装膜替代金属壳体,包裹着正负极材料、隔膜、电解液。它的体型纤薄,单体能量密度较高,内阻小,但在安全性、可靠性和成组效率上存在一定的劣势。

安全方面,软包特有的铝塑膜包装无法分担外部挤压力,挤压时易造成内部卷芯变形而发生热失控,且无法保证内部发生热失控后爆破或者热传导的方向,会鼓气裂开。

就可靠性而言,铝塑膜主要由聚酰胺(25μm)/轧制铝(40μm)/聚丙烯(50μm),层叠而成,很容易被金属小颗粒刺穿造成漏液问题。聚丙烯层受力会发生蠕变,长期使用后内部化学体系产气后很容易将分装区撑破。之前现代宣布召回7.7万辆KONA电动汽车,通用汽车宣布召回68677辆Bolt电动车,就是因为LG提供的软包电池出了问题。

二、模组

单个电芯并不足以驱动电动车,需将多个电芯串并联,才能实现驱动电动车所需的高电压、大电量。模组,就是将多个电芯串并联,再加上起到汇集电流、收集数据、固定保护电芯等作用的辅助结构件,所形成的模块化电池组。几种电芯的典型模组结构如下:

方壳电芯模组典型结构


圆柱电芯模组典型结构


软包电芯模组典型结构

采用模组这种模块化设计的好处在于电池结构更为稳定,且电池系统的可维护性高。如果个别电芯出现故障,可以单独更换相应模组,维修的工作量较低。但这种模块化设计需要使用大量不能提供能量的结构件,占用宝贵的安装空间,拉低电池系统的能量密度,影响车辆的续航表现,这一劣势在圆柱电芯、软包电芯的成组问题上尤为明显。

圆柱电芯是小单体,成组需要大量的圆柱电池,以85D版Model S电池包为例,该电池包里有16个模组,每组有444节圆柱电芯,圆柱与圆柱之间存在大量空隙,空间利用率低。此外,电芯数量越多,对电池管理系统的挑战就越大。而软包电芯虽然理论能量密度要更高于方形电池和圆柱电池,但由于本身刚性不足,需要添加更多结构件保护电芯,所以成组效率也比较低。

三、电池包/电池系统

传统电池包结构

电池包往往是由若干电池单元、热管理系统、电池管理系统(BMS)、电气系统及结构件组成。对于传统的电池包来说,这里的电池单元指的就是模组。但随着电池技术的进步、电芯单体质量的提升,CTP(Cell to Pack)技术突破电池包结构刚度和可靠性平衡的瓶颈横空而出。

CTP

顾名思义,CTP就是用电芯直接组成电池包,省去电池模组这个结构,这样一来,就可以少用不能供能的结构件,给电芯腾出更多空间,提升电池系统的能量密度,有利于提升车辆续航。从宁德时代的相关数据来看,CTP技术使电池包的零部件数量减少40%,能量密度提升10%-15%,生产效率也提升了50%。目前,CTP已在北汽EU5、小鹏P7/G3等车型实现批量应用。

CTP技术的下一代,是CTC(Cell to Chassis)。通过将电芯直接集成到底盘上,实现更高程度的集成度,尽可能节省空间,CTC可将车辆续航里程提升至1000公里。大众电池日所提的cell 2 car,本质上也是一样的。这CTC看起来像香饽饽,但实际上是块硬骨头,其技术研发还需面对电芯一致性、底盘抗震、底盘散热多方面的考验,未来就看哪家电池厂或车企能拔得头筹了。


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