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電動車為何選用18650電池,包括特斯拉?  

2015-12-04 23:57:03|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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電動車為何選用18650電池,包括特斯拉?

新能源電動汽車為何選用18650電池,包括特斯拉?

對於用18650電芯做為電動車電池的技術路線,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?

首先對18650圓柱形鋰離子電芯做簡要認識

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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定下的一種標準電池型號,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。 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 或3.7V;最小放電終止電壓一般為2.5~2.75V。常見容量為1200~3300mAh。

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電池的生產製程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製程也不能??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 S有7104個),但是一致性很好;層疊式電池的容量可以做得較大(20 Ah到60 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製程。因此,在研發Roadster和Model 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,到四節單體電池兩併兩串組成的電池模塊,再到由48個電池模塊串聯組成的電池組如下圖所示:

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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。

反過來看Tesla,18650電池的尺寸比較小,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?

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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,能讓每隻電芯能很好地跟水管接觸,這樣每隻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/kg,GM Volt所用的層疊式電池的能量密度約為150 Wh/kg;而Roadster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塊外面再加一個鋁殼。

18650電池一般是鋼殼,安全性更好;而且前面也提到隨著18650電池生產製程水平的的不斷提高,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。大陸每年生產18650電池約幾十億節,遠遠超出其他??材料的電池。

而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顆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。隨著電池技術製程的成熟,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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