動力電池是新能源整車的動力來源。動力電池主要分為電池包、模組、電芯。
圖片
下圖是動力電池在整車上的布置關(guān)系圖
【1】電池包
電池包一般是由電池模組、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電氣系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)件組成。
【2】模組
電池模組可以理解為鋰離子電芯經(jīng)串并聯(lián)方式組合，加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置后形成的電芯與pack的中間產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)必須對電芯起到支撐、固定和保護(hù)作用。其基本組成包括：模組控制(常說的BMS從板)，電池單體，導(dǎo)電連接件，塑料框架，冷板，冷卻管道，兩端的壓板以及一套將這些構(gòu)件組合到一起的緊固件。其中兩端的壓板除了起到聚攏單體電芯，提供一定壓力的作用以外，往往還將模組在電池包中的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計在上面。
模組的設(shè)計是為了方便BMS進(jìn)行電芯管理，提高電池安全性，便于維護(hù)維修。就像一個國家需要分成若干省份為了方便統(tǒng)治治理的道理一樣。
模組組成如下圖：
【3】電芯
電芯主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成。主要工作原理是靠鋰離子的在正極和負(fù)極之間的遷移實現(xiàn)充電和放電。充電過程需要外界能量，即電網(wǎng)電能，相當(dāng)于把電網(wǎng)的電能儲存在電池中；放電過程可自發(fā)完成，這個過程將儲存的能量釋放出來。
鋰電車電池根據(jù)材料體系主要分為三類：錳酸鋰、三元材料鋰電池、鋰酸亞鐵鋰。這三類電池性能各有優(yōu)缺點，在市場當(dāng)中也有著不同的應(yīng)用。 三類鋰電池材料特性對比，錳酸鋰價格最低。
從上述表格中可以看到，錳酸鋰材料價格最低，每噸5-6萬元，相應(yīng)的電池循環(huán)壽命次數(shù)、儲存性能的表現(xiàn)也是最一般的，分別是≥300次，月衰減5%以上。三元材料鋰電池材料價格每噸16-20萬元，儲存性能表現(xiàn)最好，月衰減1-2%，電池循環(huán)壽命≥600次。鋰酸亞鐵鋰材料價格每噸15-18萬元，電池循環(huán)壽命表現(xiàn)最好≥1500次，儲存性能在三者當(dāng)中表現(xiàn)中等，月衰減3%。
上表中提到的數(shù)值是三類鋰電表現(xiàn)的硬性參數(shù)，鋰電的安全性、穩(wěn)定性、耐低溫等性能同樣是綜合評判鋰電性能的重要指標(biāo)。
錳酸鋰：高溫性能、循環(huán)性能、儲存性能較差，錳在高溫情況下易分解，電池組的使用壽命短不易存儲。
材料鋰電池：高低溫、循環(huán)、安全性、存儲及個項電性能都比較平均。體積比能量高，材料價格適中并且性能穩(wěn)定。三元材料電芯根據(jù)鎳鈷錳的比例又有532,811等一系列體系。最近幾年比較火的是811體系的電芯。鎳的比例越高，動力電池越不穩(wěn)定。同時提高鎳的比例可以提高電池的能量密度。所以動力電池的設(shè)計是一個平衡的過程，平衡實用性與安全性。
磷酸鐵鋰：安全性能好，電導(dǎo)率低，體積比能量低，材料成本高，低溫性能很差，不能滿足電動車冬天使用。
鋰電池的正極是將正極材料（如LFP、NCM）涂布在鋁箔（集流體）上，負(fù)極是將負(fù)極材料（如石墨、LTO）涂布在銅箔（集流體）上。一般情況下電池是根據(jù)正極材料來命名，所以一般稱三元電池或磷酸鐵鋰電池；而鈦酸鋰電池中LTO是負(fù)極材料，因此這算是以負(fù)極材料命名電池的特例。在翻閱國外文獻(xiàn)的時候發(fā)現(xiàn)文中常將正極材料稱為陰極（Cathode），將負(fù)極材料稱為陽極（Anode），一開始并不是非常理解，因為我們一般認(rèn)為，發(fā)生還原反應(yīng)的電極是陰極，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極是陽極；而電池在放電和充電切換的過程中陰陽極也隨之在變化。后來慢慢有點想明白，這個定義應(yīng)該指的是沒有外部能量影響的條件下的情況，所以以放電狀態(tài)下的反應(yīng)情況來確定電池的陰陽極。
電池的衰減可以分為兩方面分析，一方面是性能上的，另一方面是安全性上的。
1）性能衰減
電動汽車在經(jīng)過一定時間的使用后續(xù)航里程會有所下降，加速性能的衰減也可能被感受到。這主要可以從容量的衰減、內(nèi)阻的增加、以及電池自放電的增大幾個方面去分析。
2）安全性衰減
安全性的衰減相對而言就比較難比察覺。有可能電池已經(jīng)出現(xiàn)了機(jī)械形變，或者發(fā)生內(nèi)短路的概率增大了，以及存在漏液的風(fēng)險。
因此接下去我們可以找到什么影響了容量的減少、內(nèi)阻增加由哪些因素引起、電池形變產(chǎn)生過程、以及導(dǎo)致內(nèi)短路發(fā)生的因素這樣的問題來理解電池的衰減過程。
從安全性來說 ，錳酸鋰電池比三元的電池的安全性要好很多。比如現(xiàn)在國內(nèi)有廠家用新正的錳酸鋰LMA-30制作的90安時單體電池， 都可以通過201所全部的安全性測試 。而三元材料而言 ，可能現(xiàn)在國內(nèi)20安時單體都通不過針刺檢驗 這主要是材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所決定的 。錳酸鋰的結(jié)構(gòu)本身比三元材料要穩(wěn)定。此外 錳酸鋰這種材料的發(fā)展時間相對較長 ，成熟度要高很多 ，前面提到的新正的LMA-30是用Al進(jìn)行改性的錳酸鋰 ，今后也不排除改性三元的推出。另外， 由于電解液的匹配問題， 三元相對于錳酸鋰更容易產(chǎn)氣， 這也是造成三元電池安全性不如錳酸鋰的一個原因。但是三元材料的能量密度卻比錳酸鋰高很多。 所以 現(xiàn)在日本也好， 韓國也好， 最成熟的動力產(chǎn)品都是以錳酸鋰為主 ，混合三元一起使用 ，既保證了安全性， 又提升了能量密度 ，這也是今后動力發(fā)展的一個趨勢。
電芯根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，分為圓柱形電芯、軟包電芯、方形電芯。
方形電芯
圓柱電芯
典型的圓柱電芯結(jié)構(gòu)包括：正極極片、負(fù)極極片、隔膜、電解液、外殼、蓋帽/正極帽、墊片、安全閥等。圓柱電芯一般以蓋帽為電池正極，以外殼為電池負(fù)極。
圓柱電芯標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，常見的型號有：14650、14500（5號電池）、18650、21700等。型號的的前兩位數(shù)字代表圓柱電芯的直徑（單位mm），第3、4位代表圓柱電芯的高度（單位mm），0指的是圓柱。特斯拉現(xiàn)在用的圓柱電池是18650和21700，未來還有4680（一款腰更粗個子更高的電池）將投入批量應(yīng)用。
軟包電芯
三種電芯對比，各有優(yōu)勢。結(jié)合生產(chǎn)工藝的方便性，現(xiàn)在國內(nèi)電動車主要用的是方形電芯。特斯拉電動車用的是圓柱形電芯。
【4】電池管理系統(tǒng)（BMS）
BMS英文名稱BatteryManagement System，中文名稱動力電池管理系統(tǒng)，對電池進(jìn)行監(jiān)控和管理的系統(tǒng)，通過對電壓、電流、溫度以及SOC等參數(shù)采集、計算，進(jìn)而控制電池的充放電過程，實現(xiàn)對電池的保護(hù)，提升電池綜合性能的管理系統(tǒng)，是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶。
BMS（電池管理系統(tǒng)）功能主要有三種：通過測量動力電池的荷電狀態(tài)，為駕駛員提供剩余的使用電量，以便提醒駕駛員能及時為電動電池進(jìn)行充電；其次是對電池溫度進(jìn)行監(jiān)控管理，檢測電池工作時的溫度，并使用吹分機(jī)或散熱片來確保電池工作在最佳狀態(tài)；最后是實現(xiàn)電池的均衡管理，由于出廠制造誤差、或者使用過程中的存在通風(fēng)性差異，電化學(xué)性能轉(zhuǎn)換不一等情況，對電池電壓、剩余電量進(jìn)行檢測，以防過度充電。
在BMS開發(fā)過程中，對BMS的危害分析有過壓（過充）、欠壓、過溫和過流等危害事件，如過壓可能是一個比較嚴(yán)重的事件，尤其長時間對電池過充會導(dǎo)致電池性能下降和不可恢復(fù)性損壞，甚至導(dǎo)致電池變形、漏液情況發(fā)生。那么，對于BMS系統(tǒng)安全設(shè)計的目標(biāo)就是能夠及時發(fā)現(xiàn)電池過充、并通過合理的危害分析及評估，從單點失效和潛在失效等方面考慮設(shè)計安全機(jī)制，最后做出恰當(dāng)及時的處理。
【5】電池發(fā)展趨勢
5.1 無鈷電池
三元鋰電池全稱為“三元聚合物鋰電池”，是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（NCM）或者鎳鈷鋁酸鋰（NCA）的三元正極材料的鋰電池，其中主要用于穩(wěn)定材料層狀結(jié)構(gòu)、提高材料循環(huán)和倍率性能的鈷元素，公眾號動力電池BMS,是三元電池中不可或缺的貴金屬。
一直以來，鈷的價格波動極大程度上影響著三元材料的價格，可要知道的是，全球有超過一半的鈷均產(chǎn)自剛果（金），資源的過于集中也加劇了全球鈷供應(yīng)鏈的脆弱性。今年以來，隨著海外疫情的持續(xù)惡化，剛果的封鎖措施和社會動蕩局勢加劇了對鈷礦生產(chǎn)的擔(dān)憂，同時贊比亞、南非等國的邊境封鎖政策對鈷原料的運輸產(chǎn)生限制，預(yù)計二季度剛果（金）和南非的鈷原料出口將顯著下降，對國內(nèi)三季度鈷原料進(jìn)口產(chǎn)生不利影響。
成本問題一直是新能源汽車市場發(fā)展的絆腳石，作為核心成本的“動力電池”一直被寄予希望能夠盡快降低成本，三元鋰電池在降低鈷比例和含量后，會相應(yīng)地降低整車的成本，鈷價波動給企業(yè)帶來的影響也將被削弱，“忐忑”的企業(yè)開始變主動為被動，這將有利于推動新能源汽車市場的發(fā)展。
下圖為蜂巢無鈷電池：
5.2 固態(tài)電池
固態(tài)電池是一種電池科技。與現(xiàn)今普遍使用的鋰離子電池和鋰離子聚合物電池不同的是，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。
由于科學(xué)界認(rèn)為鋰離子電池已經(jīng)到達(dá)極限，固態(tài)電池于近年被視為可以繼承鋰離子電池地位的電池。固態(tài)鋰電池技術(shù)采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升鋰電池的能量密度。
固態(tài)電解質(zhì)具有較高的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，可與高電壓的電極材料配合使用，提高電池的能量密度；固態(tài)電解質(zhì)具有高機(jī)械強(qiáng)度，樂意在電池循環(huán)過程中有效抑制鋰枝晶的刺穿，試具有高理論能量密度的金屬鋰作為負(fù)極材料成為可能固態(tài)電解質(zhì)缺點（現(xiàn)階段發(fā)展遇到的問題）：電極和電解質(zhì)之間超高的固固接觸阻抗。
5.3 刀片電池
刀片電池是一種全新的設(shè)計理念，在采用長電芯的同時，省去了中間模組環(huán)節(jié)，直接把電芯裝到電池系統(tǒng)里面。這樣重量和成本都有效下降，這一點和寧德時代的CTP有相似的地方。同時比亞迪電池結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒了蜂窩鋁板的原理，通過結(jié)構(gòu)膠把電芯固定在兩層鋁板之間，讓電芯本身充當(dāng)結(jié)構(gòu)件，來增加整個系統(tǒng)的強(qiáng)度。
C公司產(chǎn)品的長度是148 mm、厚度是79mm、高度是97mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是卷繞，看起來像一塊板磚。刀片電芯長度是960mm，厚度是 13.5 mm，高度為 90 mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是疊片。因其長而薄的形狀酷似刀片，因此得名刀片電池。
5.4 疊片工藝
疊片工藝是將正極、負(fù)極切成小片與隔離膜疊合成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯(lián)起來組成一個大電芯的一種Li離子電芯制造工藝。
例如軟包鋰電池，靠的是“疊”，如“z”字形疊片，先把正負(fù)極原料裁切成同樣大小的矩形極片，再分別疊到隔膜上，隔膜“Z”字形穿行其間，隔開兩極，最后包上鋁塑包裝。
疊片工藝過程繁瑣，主要是極片與隔膜裁切成片。但極片分切合格率低，質(zhì)量（斷面、毛刺等）很難保持高度一致性，且對齊精度不夠，這塊就對制作工藝的質(zhì)量要求比較高了。這也是疊片電池沒有普及的主要原因。
5.5 CTP/CTC
CTP技術(shù)全稱為Cell To Pack，通過取消模組設(shè)計，直接將電芯集成為電池包，電池包又作為整車結(jié)構(gòu)件的一部分集成到車身地板上。
這種方式減少了模組本身的側(cè)板、端板（模組結(jié)構(gòu)件）和原本用于分隔模組以及幫助模組連接的橫梁、縱梁（電池包裝配支撐結(jié)構(gòu)）等材料，整個電池結(jié)構(gòu)極大簡化，利用空間得到釋放，同等尺寸的電池包容量得以擴(kuò)展、電池組質(zhì)量得以減輕，由此帶來電池能量密度的提高和成本的降低。
CTP技術(shù)現(xiàn)有兩種不同的路線。一是徹底取消模組的方案，以比亞迪刀片電池為代表；二是小模組整合為大模組的方案，以寧德時代CTP技術(shù)為代表
比亞迪刀片電池 vs 寧德時代CTP
CTC技術(shù)全稱為Cell to Chassis，寧德時代董事長曾毓群之前在中國汽車藍(lán)皮書論壇上是這樣介紹它的：“此技術(shù)將電芯和底盤集成一起，再把電機(jī)、電控、整車高壓如DC/DC、OBC等通過創(chuàng)新的架構(gòu)集成在一起，并通過智能化動力域控制器優(yōu)化動力分配和降低能耗。CTC將使新能源汽車成本可以直接和燃油車競爭，乘坐空間更大，底盤通過性變好。”
CTC在某種意義上可理解為CTP的進(jìn)一步延伸，其核心在于省去模組、打包過程，將電芯直接集成到汽車底盤上，實現(xiàn)更高程度集成化。
傳統(tǒng)技術(shù) vs CTP vs CTC
CTC的出現(xiàn)，將突破PACK的限制，直接涉及到汽車底盤，這是整車最為關(guān)鍵的核心部件，是整車廠商經(jīng)歷長期發(fā)展所積累的核心優(yōu)勢所在，是電池企業(yè)/專業(yè)PACK企業(yè)難以獨立開發(fā)的。所以現(xiàn)在一些電池供應(yīng)商開始策劃底盤開發(fā)。
特斯拉去年在柏林工廠舉辦的Giga Fest活動中，展示了4680 Structural Battery（CTC）方案--4680電池包取消了模組設(shè)計，電芯密集排布在車輛底盤中，電池上蓋肩負(fù)密封電池與車身地板兩項功能，座椅則可直接裝在電池包上。
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