新能源汽車動力電池結構技術解析

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。

下圖是動力電池在整車上的布置關系圖

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)及結構件組成。

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的中間產品。其結構必須對電芯起到支撐、固定和保護作用。其基本組成包括：模組控制(常說的BMS從板)，電池單體，導電連接件，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構設計在上面。

模組的設計是為了方便BMS進行電芯管理，提高電池安全性，便于維護維修。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，在市場當中也有著不同的應用。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。

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，負極是將負極材料（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是負極材料，因此這算是以負極材料命名電池的特例。在翻閱國外文獻的時候發(fā)現(xiàn)文中常將正極材料稱為陰極（Cathode），將負極材料稱為陽極（Anode），一開始并不是非常理解，因為我們一般認為，發(fā)生還原反應的電極是陰極，發(fā)生氧化反應的電極是陽極；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)了機械形變，或者發(fā)生內短路的概率增大了，以及存在漏液的風險。

因此接下去我們可以找到什么影響了容量的減少、內阻增加由哪些因素引起、電池形變產生過程、以及導致內短路發(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20安時單體都通不過針刺檢驗 這主要是材料結構穩(wěn)定性所決定的 。錳酸鋰的結構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)結構不同，分為圓柱形電芯、軟包電芯、方形電芯。

方形電芯

圓柱電芯

典型的圓柱電芯結構包括：正極極片、負極極片、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，以外殼為電池負極。

圓柱電芯標準化程度較高，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）將投入批量應用。

軟包電芯

三種電芯對比，各有優(yōu)勢。結合生產工藝的方便性，現(xiàn)在國內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，進而控制電池的充放電過程，實現(xiàn)對電池的保護，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行充電；其次是對電池溫度進行監(jiān)控管理，檢測電池工作時的溫度，并使用吹分機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性差異，電化學性能轉換不一等情況，對電池電壓、剩余電量進行檢測，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重的事件，尤其長時間對電池過充會導致電池性能下降和不可恢復性損壞，甚至導致電池變形、漏液情況發(fā)生。那么，對于BMS系統(tǒng)安全設計的目標就是能夠及時發(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計安全機制，最后做出恰當及時的處理。

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)定材料層狀結構、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自剛果（金），資源的過于集中也加劇了全球鈷供應鏈的脆弱性。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的擔憂，同時贊比亞、南非等國的邊境封鎖政策對鈷原料的運輸產生限制，預計二季度剛果（金）和南非的鈷原料出口將顯著下降，對國內三季度鈷原料進口產生不利影響。

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。

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的電池。

由于科學界認為鋰離子電池已經(jīng)到達極限，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)鋰電池技術采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導物質，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)電解質具有較高的電化學穩(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)電解質具有高機械強度，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極材料成為可能固態(tài)電解質缺點（現(xiàn)階段發(fā)展遇到的問題）：電極和電解質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。同時比亞迪電池結構設計借鑒了蜂窩鋁板的原理，通過結構膠把電芯固定在兩層鋁板之間，讓電芯本身充當結構件，來增加整個系統(tǒng)的強度。

C公司產品的長度是148 mm、厚度是79mm、高度是97mm，內部結構是卷繞，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，內部結構是疊片。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技術全稱為Cell To Pack，通過取消模組設計，直接將電芯集成為電池包，電池包又作為整車結構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板、端板（模組結構件）和原本用于分隔模組以及幫助模組連接的橫梁、縱梁（電池包裝配支撐結構）等材料，整個電池結構極大簡化，利用空間得到釋放，同等尺寸的電池包容量得以擴展、電池組質量得以減輕，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技術為代表

比亞迪刀片電池 vs 寧德時代CTP

CTC技術全稱為Cell to Chassis，寧德時代董事長曾毓群之前在中國汽車藍皮書論壇上是這樣介紹它的：“此技術將電芯和底盤集成一起，再把電機、電控、整車高壓如DC/DC、OBC等通過創(chuàng)新的架構集成在一起，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?！?/p>

CTC在某種意義上可理解為CTP的進一步延伸，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 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計，電芯密集排布在車輛底盤中，電池上蓋肩負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。

審核編輯：湯梓紅