對(duì)于用18650電芯做為新能源電動(dòng)汽車電池的技術(shù)路線，大家可能首先把目光轉(zhuǎn)向特斯拉。特斯拉在進(jìn)行電動(dòng)汽車電池開(kāi)發(fā)時(shí)，測(cè)試了很多種類的電池，但最后把目標(biāo)鎖定在18650電池，那么究竟18650電芯有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？本文作者為小鵬汽車團(tuán)隊(duì)工程師，他將對(duì)此進(jìn)行分析。
首先對(duì)18650圓柱形鋰離子電芯做簡(jiǎn)要認(rèn)識(shí)
18650其實(shí)是指電池的外形規(guī)格，是日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)電池型號(hào)，其中18表示直徑為18mm，65表示長(zhǎng)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，由于鎳氫電池現(xiàn)在比較少用，所以現(xiàn)在多指鋰離子電池。18650鋰離子電池單節(jié)標(biāo)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(jiàn)容量為1200～3300mAh。
關(guān)于一致性
18650電池是最早、最成熟、最穩(wěn)定的鋰離子電池，廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中。多年來(lái)，日本廠商在18650電池的生產(chǎn)工藝上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，使得產(chǎn)出的18650電池的一致性、安全性都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。
相比之下，層疊式鋰離子電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有成熟，常見(jiàn)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(tǒng)一，電池廠商所具備的生產(chǎn)工藝也不能滿足條件，大多數(shù)以人為控制為主，電池的一致性達(dá)不到18650電池的水準(zhǔn)。如果電池的一致性達(dá)不到要求，大量電池串、并聯(lián)形成的電池組的管理也將不能讓每個(gè)電池的性能更好地發(fā)揮，而18650電芯可以解決這一問(wèn)題。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，18650電池的單體容量小，所需的單體數(shù)量會(huì)很多(Model S有7104只)，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(shù)量可以降低，但是一致性差。相比之下，現(xiàn)階段很難投入大量的人力物力與電池供應(yīng)商一起去改善層疊式電池的生產(chǎn)工藝。因此，在研發(fā)Roadster和Model S的時(shí)候，Tesla的唯一選擇是從市場(chǎng)上去購(gòu)買電池，自行開(kāi)發(fā)電池系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)一套管理6000多節(jié)單體一致性很好的電池系統(tǒng)與開(kāi)發(fā)一套200多節(jié)一致性很差的電池系統(tǒng)，相比之下，前者的技術(shù)難度應(yīng)該更低一些。即使單體電池?cái)?shù)目增多，但是如果這些電池的性能是可靠的，管理起來(lái)還是容易一些。
對(duì)比另一款很成功的純電動(dòng)汽車，日產(chǎn)的LEAF，它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因?yàn)槿债a(chǎn)與NEC合作多年，在電池技術(shù)方面積累很深厚，在品質(zhì)控制方面有相當(dāng)?shù)墓α?。LEAF的電池來(lái)自AESC——日產(chǎn)與NEC的合資公司。
對(duì)比下美、日、中等不同地區(qū)的汽車廠商在開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車時(shí)與電池廠商的合縱連橫是一件非常有意思的事情。
關(guān)于散熱能力
層疊式電池的厚度薄、表面大，均熱、散熱能力都不錯(cuò)，因此日產(chǎn)LEAF很大膽地采用了被動(dòng)式熱管理系統(tǒng)(其實(shí)就是不管理！)，由空氣的自然對(duì)流將熱量帶走。
從左到右，LEAF從單體，到四節(jié)單體電池兩并兩串組成的電池模塊，再到由48個(gè)電池模塊串聯(lián)組成的電池組如下圖所示：
可以看到，電池組上沒(méi)有任何的風(fēng)扇、冷卻液管道等熱管理系統(tǒng)。大概這就是無(wú)招勝有招。
反過(guò)來(lái)看Tesla，18650電池的個(gè)頭比較小，在正常充放電時(shí)單體電池內(nèi)部的溫差也不會(huì)太大。但是，6000多個(gè)單體電池的溫差也應(yīng)當(dāng)保持在不超過(guò)5°C的范圍內(nèi)，這是一件非常困難的事情。但是，Tesla做到了。怎么做到的？Tesla 的電池管理系統(tǒng) (BMS) 相比其他電動(dòng)汽車有哪些優(yōu)勢(shì)？
如上圖，這些管道是冷卻液的流道，流道均勻分布在電池模組中間，能讓每只電芯能很好地跟水管接觸，這樣每只電芯在冷卻時(shí)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范圍內(nèi)。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，由于采用了小容量的18650電池，Tesla的熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜度是大大增加了的。也就是說(shuō)，如果從散熱能力方面考慮，使用小容量的18650電池不是最優(yōu)選擇。
關(guān)于能量密度
談到能量密度，就必須區(qū)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(lái)看，18650電池要高于層疊式鋰離子電池。日產(chǎn)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(tǒng)更加復(fù)雜，由此額外增加的重量會(huì)使得電池組的能量密度遠(yuǎn)低于單體的能量密度。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(jīng)不相上下。
關(guān)于安全性
前面提到層疊式鋰離子電池的各種優(yōu)點(diǎn)，但它也有一些缺點(diǎn)。由于層疊式鋰離子電池一般是采用鋁塑膜封裝的，而鋁塑膜的厚度薄，機(jī)械強(qiáng)度差，在汽車發(fā)生碰撞等極端情況下，鋁塑膜很容易發(fā)生破損導(dǎo)致安全事故產(chǎn)生。這也就解釋了為什么日產(chǎn)要在4個(gè)單體組成的電池模塊外面再加一個(gè)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(chǎn)工藝水平的的不斷提高，安全性也在不斷提高。
Tesla在應(yīng)對(duì)這些18650電池可能出現(xiàn)的安全事故上，也傾注了很多心血。如果一個(gè)單體電池出現(xiàn)溫度過(guò)高等異常情況，根據(jù)異常情況的惡劣程度，這枚電池或其所在的模組會(huì)斷電以防止事故的蔓延。由于單體容量小，只要不發(fā)生蔓延，事故的嚴(yán)重程度將是較低的。
關(guān)于成本
18650鋰離子電池具有容量大、壽命長(zhǎng)、安全性能高等特點(diǎn)，又因?yàn)轶w積小，重量輕，使用方便，深受消費(fèi)者的青睞。隨著人們對(duì)18650電池技術(shù)研究的不斷加深，使得電池的一致性、安全性都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。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(wěn)定的電池組合，至今仍然占據(jù)領(lǐng)先位置。我國(guó)每年生產(chǎn)18650電池約幾十億節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他材料的電池。
而Tesla采用18650電池，就可以利用日本松下等廠商之前的生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品所用18650電池競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的情況下，松下等廠商與Tesla合作升級(jí)產(chǎn)品，將原有的生產(chǎn)線改良后用于生產(chǎn)動(dòng)力電池。工業(yè)生產(chǎn)有一個(gè)規(guī)模效應(yīng)，當(dāng)生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)模達(dá)到一個(gè)量級(jí)之后，成本會(huì)大大降低。一輛新能源汽車就需要成千上萬(wàn)節(jié)18650電池，因此單體的采購(gòu)成本可控。
小結(jié)
可以說(shuō)，采用18650電池作為新能源電動(dòng)汽車的動(dòng)力之源，在現(xiàn)階段是最優(yōu)的選擇。隨著電池技術(shù)工藝的成熟，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)更多新型的電池應(yīng)用在新能源電動(dòng)汽車上。
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