cookieOptions = {...}; ‧ 新能源電動汽車為何選用 18650 電池,包括特斯拉? - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網
2015年11月13日 星期五

leiphone 小鵬汽車

【編者按】對於用18650電芯做為新能源電動汽車電池的技術路線,大家可能首先把目光轉向特斯拉。

特斯拉在進行電動汽車電池開發時,測試了很多種類的電池,但最後把目標鎖定在18650電池,那麼究竟18650電芯有哪些優缺點?本文作者為小鵬汽車團隊工程師,他將對此進行分析。


  首先對18650圓柱形鋰離子電芯做簡要認識

18650其實是指電池的外形規格,是日本SONY公司當年為了節省成本,而訂下的一種標準電池型號,其中18表示直徑為18mm65表示長度為65mm0表示為圓柱形電池。18650電池原指鎳氫電池和鋰離子電池,由於鎳氫電池現在比較少用,所以現在多指鋰離子電池。18650鋰離子電池單節標稱電壓一般為3.6V 3.7V;最小放電終止電壓一般為2.52.75V。常見容量為12003300mAh

關於一致性
18650電池是最早、最成熟、最穩定的鋰離子電池,廣泛應用在電子產品中。多年來,日本廠商在18650電池的生產工藝上積累了大量的經驗,使得產出的18650電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。

相比之下,層疊式鋰離子電池遠遠沒有成熟,常見的有方形電池、軟包電池,甚至連尺寸、大小、極耳位置等都不統一,電池廠商所具備的生產工藝也不能滿足條件,大多數以人為控制為主,電池的一致性達不到18650電池的水準。如果電池的一致性達不到要求,大量電池串、並聯形成的電池組的管理也將不能讓每個電池的性能更好地發揮,而18650電芯可以解決這一問題。

總結來說,18650電池的單體容量小,所需的單體數量會很多(Model S7104),但是一致性很好;層疊式電池的容量可以做得較大(20 Ah60 Ah),單體數量可以降低,但是一致性差。

相比之下,現階段很難投入大量的人力物力,與電池供應商一起去改善層疊式電池的生產技術。因此,在研發RoadsterModel S的時候,Tesla的唯一選擇是從市場上去購買電池,自行開發電池系統。

開發一套管理6000多節單體一致性很好的電池系統,與開發一套200多節一致性很差的電池系統,相比之下,前者的技術難度應該更低一些。即使單體電池數目增多,但是如果這些電池的性能是可靠的,管理起來還是容易一些。

對比另一款很成功的純電動汽車,日產的LEAF,它採用的是層疊式鋰離子電池。這是因為日產與NEC合作多年,在電池技術方面積累很深厚,在品質控制方面有相當的功力。LEAF的電池來自AESC——日產與NEC的合資公司。

對比下美、日、中等不同地區的汽車廠商,在開發電動汽車時與電池廠商的合縱連橫,是一件非常有意思的事情。

關於散熱能力
層疊式電池的厚度薄、表面大,均熱、散熱能力都不錯,因此日產LEAF很大膽地採用了被動式熱管理系統(其實就是不管理!),由空氣的自然對流將熱量帶走。

從左到右,LEAF從單體,到四節單體電池,兩並兩串組成的電池模組,再到由48個電池模組串聯組成的電池組如下圖所示:


可以看到,電池組上沒有任何的風扇、冷卻液管道等熱管理系統。大概這就是無招勝有招。

反過來看Tesla18650電池的個頭比較小,在正常充放電時單體電池內部的溫差也不會太大。但是,6000多個單體電池的溫差也應當保持在不超過5°C的範圍內,這是一件非常困難的事情。但是,Tesla做到了。怎麼做到的?Tesla 的電池管理系統 (BMS) 相比其他電動汽車有哪些優勢?


如上圖,這些管道是冷卻液的流道,流道均勻分佈在電池模組中間,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範圍內。

總結來說,由於採用了小容量的18650電池,Tesla的熱管理系統的複雜度是大大增加了的。也就是說,如果從散熱能力方面考慮,使用小容量的18650電池不是最優選擇。
關於能量密度
談到能量密度,就必須區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看,18650電池要高於層疊式鋰離子電池。日產LEAF所用的33 Ah鋰離子電池的能量密度是157 Wh/kgGM Volt所用的層疊式電池的能量密度約為150 Wh/kgRoadster所用的18650電池的能量密度約為211 Wh/kg。但是,18650電池的管理系統更加複雜,由此額外增加的重量,會使得電池組的能量密度,遠低於單體的能量密度。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不相上下。

關於安全性
前面提到層疊式鋰離子電池的各種優點,但它也有一些缺點。由於層疊式鋰離子電池一般是採用鋁塑膜封裝的,而鋁塑膜的厚度薄,機械強度差,在汽車發生碰撞等極端情況下,鋁塑膜很容易發生破損導致安全事故產生。這也就解釋了為什麼日產要在4個單體組成的電池模組外面再加一個鋁殼。

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

Tesla在應對這些18650電池可能出現的安全事故上,也傾注了很多心血。如果一個單體電池出現溫度過高等異常情況,根據異常情況的惡劣程度,這枚電池或其所在的模組會斷電以防止事故的蔓延。由於單體容量小,只要不發生蔓延,事故的嚴重程度將是較低的。

關於成本
18650鋰離子電池具有容量大、壽命長、安全性能高等特點,又因為體積小,重量輕,使用方便,深受消費者的青睞。隨著人們對18650電池技術研究的不斷加深,使得電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。作為最早的鋰離子電池,18650電池也是目前世界上最成熟、最穩定的電池組合,至今仍然佔據領先位置。國每年生產18650電池約幾十億節,遠遠超出其他材料的電池。

Tesla採用18650電池,就可以利用日本松下等廠商之前的生產線進行生產。在消費類電子產品所用18650電池競爭日趨激烈的情況下,松下等廠商與Tesla合作升級產品,將原有的生產線改良後用於生產動力電池。工業生產有一個規模效應,當生產產品的規模達到一個量級之後,成本會大大降低。一輛新能源汽車就需要成千上萬節18650電池,因此單體的採購成本可控。

小結
可以說,採用18650電池作為新能源電動汽車的動力之源,在現階段是最優的選擇。隨著電池技術工藝的成熟,同時也會出現更多新型的電池應用在新能源電動汽車上。

                                                                                                                                                                                                                            

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