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新能源电动汽车为什么选用18650电池包括特斯拉

发布时间:2020-03-23 17:01:36 阅读: 来源:灌木厂家

对用18650电芯做为新能源电动汽车电池的技术线路,大家可能首先把眼光转向特斯拉。特斯拉在进行电动汽车电池开发时,测试了很多种类的电池,但最后把目标锁定在18650电池,那末究竟18650电芯有哪些优缺点?本文作者为小鹏汽车团队工程师,他将对此进行分析。

首先对18650圆柱形锂离子电芯做扼要认识

18650其实是指电池的外形规格,是日本SONY公司当年为了节省本钱而定下的一种标准电池型号,其中18表示直径为18mm,65表示长度为65mm,0表示为圆柱形电池。18650电池原指镍氢电池和锂离子电池,由于镍氢电池现在比较少用,所以现在多指锂离子电池。18650锂离子电池单节标称电压一般为3.6V 或3.7V;最小放电终止电压一般为2.5~2.75V。常见容量为1200~3300mAh。

关于一致性

18650电池是最早、最成熟、最稳定的锂离子电池,广泛运用在电子产品中。多年来,日本厂商在18650电池的生产工艺上积累了大量的经验,使得产出的18650电池的一致性、安全性都到达了非常高的水准。

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,乃至连尺寸、大小、极耳位置等都不统一,电池厂商所具有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。如果电池的一致性达不到要求,大量电池串、并联构成的电池组的管理也将不能让每一个电池的性能更好地发挥,而18650电芯可以解决这1问题。

总结来讲,18650电池的单体容量小,所需的单体数量会很多(Model S有7104只),但是一致性很好;层叠式电池的容量可以做得较大(20 Ah到60 Ah),单体数量可以下降,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良层叠式电池的生产工艺。因此,在研发Roadster和Model S的时候,Tesla的唯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,前者的技术难度应当更低一些。即便单体电池数目增多,但是如果这些电池的性能是可靠的,管理起来还是容易一些。

比较另外一款很成功的纯电动汽车,日产的LEAF,它采取的是层叠式锂离子电池。这是由于日产与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。

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。

关于散热能力

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很大胆地采取了被动式热管理系统(其实就是不管理!),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个电池模块串连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。大概这就是无招胜有招。

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5°C的范围内,这是一件非常困难的事情。但是,Tesla做到了。怎样做到的?Tesla 的电池管理系统 (BMS) 相比其他电动汽车有哪些优势?

如上图,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近一样,温差也就可以有效地控制在很小的范围内。

总结来讲,由于采取了小容量的18650电池,Tesla的热管理系统的复杂度是大大增加了的。也就是说,如果从散热能力方面斟酌,使用小容量的18650电池不是最优选择。

关于能量密度

谈到能量密度,就必须辨别单体电池的能量密度与电池组的能量密度。

就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33 Ah锂离子电池的能量密度是157 Wh/kg,GM Volt所用的层叠式电池的能量密度约为150 Wh/kg;而Roadster所用的18650电池的能量密度约为211 Wh/kg。但是,18650电池的管理系统更加复杂,由此额外增加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450 kg,能量密度是118 Wh/kg,而LEAF电池组的重量是225 kg,能量密度是107 Wh/kg。在电池组层次,二者的能量密度已不相上下。

关于安全性

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取铝塑膜封装的,而铝塑膜的厚度薄,机械强度差,在汽车产生碰撞等极端情况下,铝塑膜很容易产生破损致使安全事故产生。这也就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,也倾注了很多血汗。如果一个单体电池出现温度过高等异常情况,根据异常情况的卑劣程度,这枚电池或其所在的模组会断电以避免事故的蔓延。由于单体容量小,只要不产生蔓延,事故的严重程度将是较低的。

关于本钱

18650锂离子电池具有容量大、寿命长、安全性能高等特点,又由于体积小,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、安全性都到达了非常高的水准。作为最早的锂离子电池,18650电池也是目前世界上最成熟、最稳定的电池组合,至今依然占据领先位置。我国每一年生产18650电池约几十亿节,远远超越其他材料的电池。

而Tesla采取18650电池,就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电池竞争日益剧烈的情况下,松下等厂商与Tesla合作升级产品,将原有的生产线改进后用于生产动力电池。工业生产有一个范围效应,当生产产品的范围到达一个量级以后,本钱会大大下降。1辆新能源汽车就需要不计其数节18650电池,因此单体的采购本钱可控。

小结

可以说,采取18650电池作为新能源电动汽车的动力之源,在现阶段是最优的选择。随着电池技术工艺的成熟,同时也会出现更多新型的电池运用在新能源电动汽车上。

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