新能源电动汽车为什么会选用18650锂电池

2020-11-18 14:23 ryder

高性能的新能源电动汽车为什么会选用18650锂电池作为动力能源?这是很多用户的疑问,为了获得更高的容量,就必须用更多的单体电池并联起来实现,这样做看起来并不保险,作为特斯拉这种高性能的电动汽车为什么任然会选用这个型号的电池作为早期的设计款,接下来我们就来解析一下这里面的原因;

关于性能

18650电池是早、成熟、稳定的锂离子电池,广泛应用在电子产品中。多年来,日本厂商在18650电池的生产工艺上积累了大量的相关经验,使得产出的18650电池的一致性、安全性都达到了非常高的水准。

相比之下,层叠式锂离子电池远远没有成熟,常见的有方形电池、软包电池,甚至连尺寸、大小、极耳位置等都不统一,电池厂商所具备的生产工艺也不能满足条件,大多数以人为控制为主,电池的一致性达不到18650电池的水准。假如电池的一致性达不到要求,大量电池串、并联形成的电池组的管理也将不能让每个电池的性能更好地发挥,而18650电芯可以解决这一问题。

总结来说,18650电池的单体容量小,所需的单体数量会很多(ModelS有7104只),但是一致性很好;层叠式电池的容量可以做得较大(20Ah到60Ah),单体数量可以降低,但是一致性差。相比之下,现阶段很难投入大量的人力物力与电池供应商一起去改善层叠式电池的生产工艺。因此,在研发Roadster和ModelS的时候,Tesla的独一选择是从市场上去购买电池,自行开发电池系统。开发一套管理6000多节单体一致性很好的电池系统与开发一套200多节一致性很差的电池系统,相比之下,前者的技术难度应该更低一些。即使单体电池数目增多,但是假如这些电池的性能是可靠的,管理起来还是容易一些。

比较另一种很成功的纯电动汽车,日产的LEAF,它采用的是层叠式锂离子电池。这是因为日产与NEC合作多年,在电池技术方面积累很深厚,在品质控制方面有相当的功力。LEAF的电池来自AESC日产与NEC的合资公司。

锂离子电池加工定制

比较下美、日、中等不同地区的汽车厂商在开发电动汽车时与电池厂商的合纵连横是一件非常有意思的事情。

有关散热能力

层叠式电池的厚度薄、表面大,均热、散热能力都不错,因此日产LEAF很大胆地采用了被动式热管理系统(其实是不管理!),由空气的自然对流将热量带走。

从左到右,LEAF从单体,到四节单体电池两并两串组成的电池模块,再到由48个电池模块串联组成的电池组如下图所示:

可以看到,电池组上没有任何的风扇、冷却液管道等热管理系统。大概这是无招胜有招。

反过来看Tesla,18650电池的个头比较小,在正常充放电时单体电池内部的温差也不会太大。但是,6000多个单体电池的温差也应当保持在不超过5C的范围内,这是一件非常困难的事情。但是,Tesla做到了。怎么做到的?Tesla的电池管理系统(BMS)相比其他电动汽车有什么优势?

这些管道是冷却液的流道,流道均匀分布在电池模组中间,能让每只电芯能很好地跟水管接触,这样每只电芯在冷却时带走的热量也几乎相同,温差也可以有效地控制在很小的范围内。

总结来说,由于采用了小容量的18650电池,Tesla的热管理系统的复杂度是大大新增了的。也是说,假如从散热能力方面考虑,使用小容量的18650电池不是优选择。

有关能量密度

谈到能量密度,必须区分单体电池的能量密度与电池组的能量密度。

单体电池的能量密度来看,18650电池要高于层叠式锂离子电池。日产LEAF所用的33Ah锂离子电池的能量密度是157Wh/kg,GMVolt所用的层叠式电池的能量密度约为150Wh/kg;而Roadster所用的18650电池的能量密度约为211Wh/kg。但是,18650电池的管理系统更加复杂,由此额外新增的重量会使得电池组的能量密度远低于单体的能量密度。Roadster的电池组重量是450kg,能量密度是118Wh/kg,而LEAF电池组的重量是225kg,能量密度是107Wh/kg。在电池组层次,两者的能量密度已经不相上下。

有关安全性

前面提到层叠式锂离子电池的各种优点,但它也有一些缺点。由于层叠式锂离子电池一般是采用铝塑膜封装的,而铝塑膜的厚度薄,机械强度差,在汽车发生碰撞等极端情况下,铝塑膜很容易发生破损导致安全事故出现。这也解释了为何日产要在4个单体组成的电池模块外面再加一个铝壳。

18650电池一般是钢壳,安全性更好;而且前面也提到随着18650电池生产工艺水平的的不断提高,安全性也在不断提高。

Tesla在应对这些18650电池可能出现的安全事故上,也倾注了很多心血。假如一个单体电池出现温度过高等异常情况,根据异常情况的恶劣程度,这枚电池或其所在的模组会断电以防止事故的蔓延。由于单体容量小,只要不发生蔓延,事故的严重程度将是较低的。

有关成本

18650锂离子电池具有容量大、寿命长、安全性能高等特点,又因为体积小,重量轻,使用方便,深受消费者的青睐。随着人们对18650电池技术研究的不断加深,使得电池的一致性、安全性都达到了非常高的水准。作为早的锂离子电池,18650电池也是目前世界上成熟、稳定的电池组合,至今仍然占据优先位置。我国每年生产18650电池约几十亿节,远远超出其他材料的电池。

而Tesla采用18650电池,可以利用日本松下等厂商之前的生产线进行生产。在消费类电子产品所用18650电池竞争日趋激烈的情况下,松下等厂商与Tesla合作升级产品,将原有的生产线改良后用于生产动力锂电池。工业生产有一个规模效应,当生产产品的规模达到一个量级之后,成本会大大降低。一辆新能源汽车要成千上万节18650电池,因此单体的采购成本可控。


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