電芯-電池模組-電池Pack

動力電池是電動汽車最關(guān)鍵的核心部件。動力電池易燃易爆，其安全性直接影響電動汽車產(chǎn)業(yè)的成敗。動力電池占整車成本40%，車企大佬們公開叫屈：整車廠在為動力電池打工。苗圩談道：成本降至100美元/kWh，電動汽車才能真正和燃油車競爭。動力電池是一個(gè)泛泛的概念。具體來說，安裝到電動汽車上的動力電池，一般稱為電池Pack（電池包）。在有些商用車上，電池Pack是很粗獷的一種形態(tài)，請看下圖，電池Pack就直接露在外面了。但是，在多數(shù)車型上，電池Pack是被底盤包裹了，并不能一眼就能看出Pack長成什么樣子。

電池Pack由BMS、BDU、電池模組（電池模塊）、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、線束、箱體、殼體等組成。如下圖2、圖3分別是某電池Pack的解剖圖和爆炸圖。

圖3.電池Pack 爆炸圖電池模組由電芯串、并聯(lián)組成。?電池Pack，電池模組，電芯形成一組概念。摘錄網(wǎng)絡(luò)上的一些描述：電芯（Cell）：組成電池組和電池包的最基本的元素，一般能提供的電壓是3v-4v之間；電池組（Batteries）：由多個(gè)單體集合，構(gòu)成一個(gè)單一的物理模塊，提供更高的電壓和容量；電池包（Pack）：一般是由多個(gè)電池組集合而成的，同時(shí)，還加入了電池管理系統(tǒng)（bms）等，也就是電池廠最后提供給用戶的產(chǎn)品。電芯是構(gòu)成動力電池的基本單元，一般是指鋰離子電池。鋰離子電池電壓為3.2V- 4.2V，容量通常為 1200mAh-3000mAh，常見容量為 2200mAh- 2600mAh。電芯在工作的過程中會發(fā)熱膨脹，在設(shè)計(jì)電池包的時(shí)候需要把這個(gè)因素考慮進(jìn)去。電芯的工作溫度對電池影響也很大，目前一般都是要求電芯可以在-40℃~60℃正常工作。從封裝結(jié)構(gòu)和材料上來命名，電芯分為圓柱形電芯、方形電芯和軟包電芯 。圓柱形電芯主要有18650、4695和46110。18650 是鋰離子電池的鼻祖日本 SONY 定下的一種標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子電池型號，其中 18 表示直徑為 18mm，65 表示長度為 65mm，0 表示為圓柱形 電池。方形電芯方方正正很規(guī)則，目前動力電池領(lǐng)域方形電芯占據(jù)主導(dǎo)地位。方形電芯的外部材料一般是鋁殼。軟包電芯一般比較輕薄。軟包電芯的最外殼是鋁塑膜（67~151μm），非常薄，柔性可變。軟包電芯的封住技術(shù)要求很高，同時(shí)軟包電芯可以做成異型的，比如做成L型或者帶有曲面形狀甚至是臺階電芯等。

圖4.鋰離子電池示意圖由于一個(gè)電池包由成千上萬個(gè)電芯組成，為了便于管理，電芯首先聯(lián)結(jié)并放入框架中，從而形成電池模組（電池模塊）。電池模組可以在熱和振動等外部沖擊中保護(hù)多個(gè)電芯。電池模組由多個(gè)電芯進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)后集成。將多個(gè)電芯跟框架結(jié)構(gòu)、電池連接系統(tǒng)、絕緣組件等各種零部件連接組裝到一起，再做上種種檢測，根據(jù)市場需求的不同，會組裝成不同的電池模組。在電池的組裝過程中，模組可以對電芯起到支撐、固定和保護(hù)作用，所以其設(shè)計(jì)要求需要滿足機(jī)械強(qiáng)度、電性能、散熱性能、故障處理能力四個(gè)方面的要求。這些也是評判電池模組優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。電池模組是介于電芯單體與電池包的中間儲能單元，它通過將多個(gè)電芯串并聯(lián)，再加上起到匯集電流、收集數(shù)據(jù)、固定保護(hù)電芯等作用的輔助結(jié)構(gòu)件形成模塊化電池組。在關(guān)于模組的業(yè)內(nèi)討論，常會看到類似2P24S這樣的表達(dá)，這里P指的是并聯(lián)（Parallel Connection），S指的是串聯(lián)（Series Connection）。把2組各由24個(gè)電芯串聯(lián)而成的小單元并聯(lián)起來，得到的就是共包含48個(gè)電芯的2P24S模組。

圖5.Tesla 電池模組將多個(gè)電池模塊進(jìn)行串并聯(lián)，再加上用來管理電池溫度或電壓等的電池管理系統(tǒng)和冷卻設(shè)備等，就組成了電池包。采用這種方式，將多個(gè)電芯成一個(gè)電池包的形態(tài)后裝入電動汽車。例如電動汽車(EV) BMW i3的電池。BMW i3共搭載96個(gè)電芯，其中12個(gè)電芯組成一個(gè)模塊，因此共由8個(gè)模塊組成一個(gè)電池包。

圖6.電池模組在網(wǎng)絡(luò)上流傳過一篇拆解特斯拉 Model S 電池的過程，圖文并茂。特斯拉 Model S 的電池板由 16 組電池組串聯(lián)而成，每組電池組由 6 組電池包串聯(lián)組成，每組電池包由 74 節(jié) 18650 電芯并聯(lián)組成，也就是說，每個(gè)電池組由 444 節(jié) 18650電芯組成，整個(gè) Model S 的電池組板共有 7104 節(jié) 18650 電芯組成，它們是 74 節(jié)并聯(lián)，96 節(jié)串聯(lián)。

CTM-CTP-CTB-CTC

將電芯集成為Pack有不同的集成方式，所謂CTM、CTP、CTB、CTC。這方面的創(chuàng)新正是當(dāng)前的熱點(diǎn)。如前一節(jié)所述，電芯是動力電池的最小單位，也是電能存儲單元。當(dāng)多個(gè)電芯被同一個(gè)外殼框架封裝在一起，并通過統(tǒng)一的邊界與外部進(jìn)行聯(lián)系時(shí)，這就組成了一個(gè)模組。在往后，當(dāng)數(shù)個(gè)模組被BMS和熱管理系統(tǒng)共同控制或管理起來后，這個(gè)統(tǒng)一的整體就叫做電池包。?將電芯組裝成電池包的過程中，電池能量密度的損失通常為30%左右。對于續(xù)航存在嚴(yán)重不足的電動汽車而言，這樣的損失顯然是有點(diǎn)大的，因此，不少相關(guān)企業(yè)在開發(fā)CTP、CTB、CTC技術(shù)。但是當(dāng)前商用的主流還是CTM模式。CTM（Cell to Module）：最開始的新能源產(chǎn)業(yè)，希望將電芯標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而利用規(guī)?；档统杀?，但是各種車型需求不同，電池廠家的電芯尺寸也難以統(tǒng)一，后來退而求其次，將電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)向了模組。過去幾年電池系統(tǒng)集成化的重點(diǎn)就是不斷提升標(biāo)準(zhǔn)化電池模組的尺寸，例如比較典型的590模組等。

圖7.CTM集成模式—當(dāng)前主流的動力電池形態(tài)CTP（Cell to Pack）：CTP跳過了標(biāo)準(zhǔn)化模組環(huán)節(jié)，直接將電芯集成在電池包上，有效提升了電池包的空間利用率和能量密度。該集成方式最早由寧德時(shí)代在 2019年提出，此后比亞迪、蜂巢能源等陸續(xù)發(fā)布了各自的 CTP 方案，其中比較具有代表性的是比亞迪的"刀片"電池，它將單個(gè)電芯通過陣列的方式排布在一起形成陣列，然后像“刀片”一樣插入到電池包里，這也是大家稱之為“刀片電池”的原因。?另外一個(gè)在強(qiáng)調(diào)CTP路線是寧德時(shí)代，最早于2019年提出CTP的概念，到2022年6月才進(jìn)化到第三代CTP，并正式命名為麒麟電池。一代的體積利用率55%，三代是72%，能量密度可達(dá)255Wh/kg。

圖8.CTP集成模式—比亞“刀片”電池CTB（Cell to Body）/CTC（Cell to Chassis）: ?CTB(Cell to Body)技術(shù)這個(gè)詞來自于比亞迪海豹的發(fā)布會。比亞迪CTB技術(shù)的方案是取消車身底板，將電池包的上蓋和車身底板相連接。

圖9.CTB集成模式

圖10.CTB方案特斯拉將此技術(shù)命名為Structural Battery，也是取消了車身底板，把電池上蓋直接懟上去。與比亞迪CTB不同的是，比亞迪座椅還是固定在車身橫梁上，而特斯拉直接固定在電池蓋上。將電芯直接集成于車輛底盤的工藝。它進(jìn)一步加深了電池系統(tǒng)與電動車動力系統(tǒng)、底盤的集成， 減少零部件數(shù)量，節(jié)省空間，提高結(jié)構(gòu)效率，并且大幅度降低車重，增加電池續(xù)航里程，被認(rèn)為是下一個(gè)階段決定新能源汽車競爭勝負(fù)的關(guān)鍵核心技術(shù)。說的簡單一點(diǎn)，CTC電池底盤一體化技術(shù)就是將電芯集成到底盤中，讓其成為車輛底盤中的一部分。不僅要電池重新排布，還要納入電驅(qū)電控系統(tǒng)，使得電池、電機(jī)、電控、車載充電機(jī)、底盤高度集成，通過智能化動力域控制器，優(yōu)化動力分配、降低能耗。這對于整個(gè)制造鏈要求極高，要求主機(jī)廠、電池供應(yīng)商等必須具備多項(xiàng)跨域的能力：車企大多要有具備電芯設(shè)計(jì)、三電系統(tǒng)高度集成的能力，電池企業(yè)需要在電機(jī)、底盤設(shè)計(jì)等板塊布局。目前國內(nèi)的零跑以及海外的特斯拉都已率先公布CTC方案，比亞迪、寧德時(shí)代等都在加速布局。CTC技術(shù)除了能間接降低車身重量，提高電池包空間利用率這些好處外。關(guān)鍵又能和利益扯上關(guān)系，因?yàn)橐惑w化集成，減少了大量的焊接（連接）工序，從而提高了生產(chǎn)效率，減少了中間的機(jī)器人，這就能降低成本。據(jù)特斯拉的相關(guān)數(shù)據(jù)，CTC一體化壓鑄，可節(jié)省370個(gè)零件，車重下降10%，電池結(jié)構(gòu)體積-10%。不過本來圓柱體的電芯在成組的空間利用率上就比不過方形電芯（圓柱疊加圓柱，之間不可避免有多處空隙），設(shè)計(jì)好的方形電芯成組的空間利用率可以達(dá)到80%以上，而4680（圓柱體）+CTC的成組空間利用率大概只有70%以上。但集成度高的CTC也有弊端，類比特斯拉，電池和底盤集成一起，一旦電池有問題了，就是要?jiǎng)拥妆P了，對動力電池售后的維護(hù)/維修就不是很友好了。

鋰離子電池-固態(tài)電池-納離子電池

動力電池是鋰離子電池，是二次電池。電芯由正極（金屬鋰化物，金屬為鈷、鎳、錳、鐵等）、負(fù)極（碳）、電解液（鋰鹽、有機(jī)溶劑碳酸亞乙酯等）組成。按照正極材料來命名不同種類的鋰離子電子。當(dāng)前主流是兩種，分別是?三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。常見的幾種正極材料差異及特征如下表所示：

電芯是所謂的“三明治”結(jié)構(gòu)，如圖11所示，以兩種方式呈現(xiàn)了鋰離子電芯的結(jié)構(gòu)。1. 正極：薄鋁箔集流體上涂有正極活性物質(zhì)，并加入了導(dǎo)電劑，用黏合劑固定。2. 負(fù)極：薄銅箔集流體上涂有負(fù)極活性物質(zhì)，并加入了導(dǎo)電劑，用黏合劑固定。3. 將吸收了電解液的多孔高分子材料隔膜，像三明治一樣夾在兩個(gè)電極中間，整體為3層隔膜狀結(jié)構(gòu)。3層膜的厚度加在一起不超過幾百微米。為了減少極板之間的電阻，電極采用大面積的隔膜狀結(jié)構(gòu)，卷成方形 和圓柱形等不同形狀。

圖11.鋰離子電芯的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池和鎳氫電池相比，鋰電池最大的特點(diǎn)是能量密度高，也非常危險(xiǎn)。鋰離子電池的能量密度是鉛酸蓄電池的4-5倍，是鎳氫電池的2倍左右，主要原因是:1. 電動勢較高。2. 使用質(zhì)量小的元素——鋰。3. 采用隔膜狀高密度封裝結(jié)構(gòu)。由于電動勢較高，如果使用傳統(tǒng)的水性電解液，電解液就會被電解，需要使用有機(jī)電解液，有利于使兩極的電位差保持穩(wěn)定，但是，有機(jī)電解液具有可燃性，當(dāng)溫度超過150度時(shí)，在很多情況下，鋰離子電池變得非常危險(xiǎn)。如果過放電，鋰離子過多地聚集在正極，內(nèi)阻增大，電池發(fā)熱，導(dǎo)致急劇劣化，也會很危險(xiǎn)。在沒有燃燒時(shí)，電池存儲的能量，18650型3Ah電芯的能量為12W和，17個(gè)電芯就相當(dāng)于1個(gè)M26手榴彈。一旦起火，能量會變大好幾倍。當(dāng)工作環(huán)境溫度超過60度時(shí)，保存劣化、周期劣化加速，長時(shí)間存放將導(dǎo)致電池壽命急劇減小。溫度上升到100度時(shí)，負(fù)極產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，排氣閥動作或液體泄漏的危險(xiǎn)性加大。在120度左右，電池隔膜溶解，自動關(guān)斷效果會暫時(shí)抑制溫度繼續(xù)上升，但是，到了150度左右時(shí)，電池隔膜的自動關(guān)斷效果開始減弱，受熱劇增。在180度左右，正極開始分解，產(chǎn)生氧氣，若受熱劇增，將進(jìn)入熱失控，電池發(fā)生爆炸。引起熱失控的外部原因主要是火災(zāi)、電路發(fā)熱、日照等，內(nèi)部原因包括低溫形成枝晶與內(nèi)部短路，過充電，過放電，過電流，浸水導(dǎo)致的過放電，沖擊導(dǎo)致的內(nèi)部短路，外部短路造成的過流等。將有機(jī)電解液更換成電解材料，做成高能量密度的全固態(tài)電池是具有非常廣闊的應(yīng)用前景。電解材料的導(dǎo)電率比液體低，是業(yè)界正在解決的難題。有多家宣稱是開發(fā)出來。鈉離子電池是一種新型的二次電池，正極材料可以是氧化物、普魯士藍(lán)類化合物等，負(fù)極材料通常是金屬鈉。電解質(zhì)一般采用有機(jī)電解質(zhì)或液態(tài)電解質(zhì)，用于傳遞鈉離子。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，它具有更高的安全性和更低的成本。鈉電池的原理與鋰離子電池類似，都是通過鈉離子或鋰離子的遷移來實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程。納電池的優(yōu)點(diǎn)：1. 成本低。鈉資源豐富，價(jià)格低廉，可以大大降低電池的成本，可以廣泛應(yīng)用于電動汽車、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域，可以作為可再生能源儲存和調(diào)節(jié)的重要手段，有助于實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。2. 安全性高。理論上比磷酸要更安全，不容易起火。低溫和高溫都優(yōu)于一般磷酸鐵鋰和三元鋰。3. ?循環(huán)次數(shù)高。鈉離子電池的循環(huán)次數(shù)和磷酸鐵鋰電池接近，大幅超過三元鋰電池，能達(dá)到3000次左右。鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)只有1500次左右。4. ?易規(guī)模化生產(chǎn)。由于鈉離子和鋰離子的化學(xué)性質(zhì)相似，因此鈉電池可以借鑒鋰離子電池的技術(shù)和生產(chǎn)工藝，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。5. ?壽命長。鈉離子半徑大于鋰離子，因此在充放電過程中可以更好地嵌入到電極材料中，提高了電極的容量和壽命。納電池的缺點(diǎn)：1. 能量密度低。磷酸釩鈉，壓實(shí)密度比較低，能解決長循環(huán)，但能量密度偏低。層狀氧化物還有一定的改善空間。單位質(zhì)量下鈉離子能夠提供的活躍電子數(shù)量比鋰離子少很多，所以能量密度肯定比鋰離子低很多，鈉電池單位質(zhì)量下的能量大約只有鋰電池的50%-60%。2. 硬碳有區(qū)別于石墨，大電流充電時(shí)，鈉離子并不容易全部進(jìn)入硬碳內(nèi)部，而在負(fù)極硬碳表面。壓實(shí)密度也還有一定的改善空間，目前壓實(shí)0.9-1.0之間。（這點(diǎn)沒完全理解。）3. 電解液匹配問題，對體系產(chǎn)氣消除問題。目前小批量生產(chǎn)的企業(yè)基本還是圓柱電池。4. ?線性太陡，電壓平臺低 導(dǎo)致同樣容量能量更低，而且會電壓變化大。

動力電池和充電系統(tǒng)的總大腦：BMS

BMS是Battery Management System的簡寫，意為“電池管理系統(tǒng)”，是動力電池和充電系統(tǒng)的總大腦。BMS的基本功能，有很多種總結(jié)，不同專家的角度不一樣。摘錄下來是有意義的。在上一篇文章中，我引用了一種BMS功能的描述：BMS 通過測量，獲取電池的工作狀態(tài)，并把這種狀態(tài)顯示出來。緊急情況下，利用聲光手段來提醒使用者，使得電池工作在“合理區(qū)域”，從而延長電池的使用壽命。危險(xiǎn)情況下，自動采取措施，避免事故的發(fā)生。另外，為電池提供能量均衡功能，提高電池的“有效儲能”，進(jìn)而延長放電時(shí)間。在充電過程中，BMS是充電系統(tǒng)的“總大腦”。在《先進(jìn)電動汽車技術(shù)》一書中，對BMS功能的總結(jié)如下：如圖12所示，電池管理系統(tǒng)的功能主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、狀態(tài)估計(jì)、熱管理、數(shù)據(jù)通信、安全管理、能量管理和故障診斷。其中前六項(xiàng)為電池管理系統(tǒng)的基本功能。能量管理功能中包括了電池能量均衡的功能。

圖12.BMS功能定義之一在《熱失控的機(jī)制與預(yù)防方法——安全對策與意外處置方法》一文中，對BMS功能描述如下：BMS基本功能是監(jiān)視、保護(hù)、測量、通信、診斷。如圖13：

圖13.BMS功能定義之二在《電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)》一書中，譚老師對BMS梳理得更加詳細(xì)。我個(gè)人是更喜歡譚老師的這個(gè)版本。

圖14.BMS功能定義之三BMS實(shí)現(xiàn)這些功能的硬件基礎(chǔ)是電壓采樣、電流采樣和溫度采樣。一個(gè)電池包的BMS要對每個(gè)電芯的電壓、電流和溫度進(jìn)行采樣。采樣的準(zhǔn)確度以及上千個(gè)采樣結(jié)果的通信和數(shù)據(jù)處理，是BMS硬件的核心技術(shù)。此外，對電池進(jìn)行建模，對剩余電量的估算是軟件算法上的核心技術(shù)。BMS是電池的大腦。在充電過程中，充電樁的大腦和電池的大腦之間進(jìn)行通信，但充電樁必須無條件接受來自電池的停止充電指令。這是最高指令。因此，我們說，BMS也是整個(gè)充電系統(tǒng)的“大腦”。