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新能源电动汽车为何选用18650电池?

出处:硬件十万个为什么 发布于:2019-07-22 13:43:35 | 540 次阅读

  对于用18650电芯做为新能源电动汽车电池的技术路线,大家可能首先把目光转向特斯拉。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,那么究竟18650电芯有哪些优缺点?


  首先对18650圆柱形锂离子电芯做简要认识


  18650其实是指电池的外形规格,是日本SONY公司当年为了节省成本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。如果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(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,前者的技术难度应该更低一些。即使单体电池数目增多,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。
  对比另一款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。
  对比下美、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很大胆地采用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。怎么做到的?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乎一样,温差也就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增加了的。也就是说,如果从散热能力方面考虑,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,就必须区分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,两者的能量密度已经不相上下。
  18650跟26650的能量密度。这里按重量计算,因为重量关系到拿起来累不累。
  26650 5000毫安时。18650 ga 3300毫安时。问题是26650 93g,18650只有47g。
  意味着,那么,这么推理,按26650能量密度,18650只有2527毫安时。按18650能量密度,26650应该要有6530毫安时!!但实际只有5000毫安时。
  继续推理,2个18650 94g,6600毫安时,重量约等于1个26650,但容量大了1600毫安时,多了32%。2个可以提供20A放电能力了。所以,18650按重量计算,比26650更适合手电使用!
  图为包皮26650,18650为ga自己包皮的。
  目前应用比较广泛的18650电池已有多年的发展历史,相对其他类型电池技术虽然较成熟,但依然面临着产热高、成组复杂、无法实现快充等问题。在这样的背景下,21700圆柱三元电池应运而生。
  2017年1月4日,特斯拉宣布与松下联合研发的新型21700电池开始量产,并强调这是目前可量产电池中能量密度最高且成本最低的电池。
  21700电池:
  电池21700是圆柱型电池的型号,具体指:21——指圆柱电池的外径为21mm;700——指圆柱电池的高度为70.0mm。
  这是为了适应电动汽车对更长续行里程的要求,为提高车辆电池空间有效利用率,而开发出的新型号。同种材料,21700相比常见的18650圆柱锂电池,容量可以高35%以上。
  新型21700具有四大显著的优势:
  (1)电池单体容量提升35%。以特斯拉生产的21700电池为例,从18650型号切换至21700型号后,电池单体电池容量可以达到3~4.8Ah,大幅提升35%。
  (2)电池系统能量密度提升约20%。特斯拉披露的数据来看,早期使用的18650电池系统能量密度约250Wh/kg,后来其生产的21700电池系统能量密度在300Wh/kg左右,21700电池的体积能量密度比原有的18650高出近20%。
  (3)系统的成本预计下降9%左右。从特斯拉披露的电池价格信息分析,21700电池的动力锂电池系统售价为170美元/Wh,而18650电池系统的售价为185美元/Wh。在Model3上使用21700电池后,仅电池系统成本就可以下降约9%。
  (4)系统的重量预计下降10%左右。21700整体体积大于18650,随着单体容量提升后,单体能量密度更高,所以同等能量下所需电池单体的数量可减少约1/3,在降低系统管理难度的同时也将减少电池包采用的金属结构件及电气配件的数量,这进一步降低了电池的重量。三星SDI改用一套新型21700电池之后,发现系统相比目前的电池减少10%重量。
  保持了18650型电池所具有的高可靠性和稳定的性能,21700电池性能在各方面均比18650有较大提升。此外,相较于其他电池型号,21700从电池原材料选用、制作工艺和技术流程等方面,都和技术较成熟的18650电池相似。因此18650与21700的产线大部分可以兼容,部分企业比较稳妥的办法是在生产线上做文章,将生产线向21700和18650兼容上靠拢。
  动力电池追求高比能已成不可逆的趋势,众多电池企业开始把目光转向布局21700电池。一些企业的生产线从国外进口,但组装上都是自己进行,因此可以投入较少的成本实现18650向21700的转化。
  目前国内厂商代表有力神电池、比克电池、亿纬锂能、猛狮科技等企业,除此之外,天臣新能源、天鹏电源、创明新能源、智慧能源、智航新能源、横店东磁、海四达、安徽泰能等电池企业也纷纷布局21700电池。
  纯电动车电池的能量密度高低有多重要?
  这似乎就像在讨论心脏的跳动对于人体有多重要一般,一辆纯电动车,或者说的更标准一点,一辆电池动力车的性能、续航里程、可靠性都取决于其电池包内的电池数量以及单节电池内的能量密度。这个公式很好理解:总电量=电池数量×单节电池能量密度。
  而现代汽车的结构设计其实已经很死板了,留给电池组的空间也就那么一点,大部分车型都集中在坐舱地板下方,当然这也是出于安全性和空间性的考虑。
  所以说,电池数量已经被限制在某一个区间内,无法大幅提升。想要增强电池车性能,唯有在能量密度上做文章。
  什么是电池能量密度?
  能量密度(Energy density)是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池能量密度=电池容量×放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度,基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)。
  电池的能量密度越大,单位体积内存储的电量越多。
  据悉,电池的能量密度基本由电池的正负极决定的,但只是正负极活性材料也不能保证电池能发上电,得有很多非活性物质,比如导电辅助剂、活性粉末之间的粘结剂、隔离膜、阴阳极的箔材、绝缘固定的胶纸、铝塑膜壳或者钢铝壳等等。
  我们中大部分人总是有意无意的忽略这部分物质的含量,得出的能量密度与事实相差较大,误导吃瓜群众。其实,这部分相当重要,就拿过去十几年的技术进步来说,电池能量密度的提升主要就是靠着活性物质占比的提升来实现的。
  还有的就是以增大原来电池尺寸来达到电量扩容的效果。
  我们最熟悉的例子莫过于:率先使用松下18650电池的知名电动车企特斯拉将换装新款21700电池。而原因并非18650电池有任何质量问题,只是18650电池单颗容量小,普遍在2-4Ah左右,串并联数量过多,单体失效风险概率较大,导致其在电动汽车领域的应用受到一定的限制。
  而21700电池在尺寸上相比18650电池(直径18mm,长度65mm)更大,达到了直径21mm,长度70mm。如果想再形象一点来考虑这个问题,我们不妨来看看来自Hitech Energy的计算,仅考虑单体的密集堆积进行计算,可知:30支21700的体积是40支18650体积的1.1倍,质量则为0.97倍。
  在同等能量下,所需电池的数量可减少约1/3,电池包内部金属连接件数量减少,从而进一步降低电池包的重量,整车的能量密度将得到部分提升,达到接近300kw/kg。
  以下三点尤为引人注意:
  1.到2020年,锂离子动力电池单体比能量大于300Wh/kg;系统比能量争取达到260Wh/kg;成本小于1元/瓦时;使用环境达-30℃到55℃;具备3C充电能力。
  2.到2025年,单体比能量达500Wh/kg。
  3.力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的锂离子电池产品产业化和整车应用。
  我国各电池动力锂电池能量密度达到什么水平了呢?
  比亚迪:目前,比亚迪磷酸铁锂电池的单体能量密度为150Wh,而接下来比亚迪计划将能量密度继续提升到160Wh。除了磷酸铁锂电池,比亚迪也在同步开发三元锂电池,而如果将三元锂电池的技术结合到磷酸铁锂电池上,对原有用石墨作为负极材料的做法进行一些调整,那么在2020年左右,比亚迪计划将磷酸铁锂电池的单体能量密度提升到200Wh。
  另外,在跟进的三元电池方面,比亚迪的三元电池已经具备量产条件,目前能量密度也达到了200Wh/kg。比亚迪三元电池的目标是2018年电池比能量达到240Wh/kg,2020年达到300Wh/kg。
  沃特玛:生产的32650圆柱型动力磷酸铁锂电池,单体能量密度已经达到145Wh/kg,下一步目标是实现160Wh/kg;三元电池目前能量密度为200Wh/kg,预计到2020年达到300Wh/kg的水平。
  国能电池:早在2013年,国能磷酸铁锂和三元电池单体能量密度就达到了160Wh/kg和200Wh/kg。预计2017年年底,磷酸铁锂电池单体能量密度将达到180Wh/kg、PACK达到134Wh/kg,三元电池能量密度将突破240Wh/kg。
  捷威动力:在能量密度方面,公司目前已经量产的三元软包电池单体比能量达210WH/Kg。在提高电池安全性的基础上,预计2020年公司软包电池单体能量密度可达300WH/Kg,Pack成组后可达220WH/Kg;钛酸锂电池单体能量密度达到110WH/Kg以上。
  智慧能源:公司量产的动力电池单体能量密度可达220Wh/Kg,PACK成组后能量密度达到140Wh/Kg。同时,公司BMS系统可做到5级防护,电池包采用轻量化材料,并进行了结构优化。
  比克电池:2016年,比克三元材料动力电池行业占比30%以上,位列第一。目前比克单体电芯能量密度近220Wh/kg,后续还将进一步提升至300Wh/kg。
  卡耐新能源:卡耐新能源已经可以批量供应能量密度220Wh/kg电芯,系统比能量大于130Wh/kg电芯,同时工艺和技术层面已经分别实现250Wh/kg、技术300Wh/kg产品储备。

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关键词:新能源电动汽车

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