電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
最近一年可以分明感受到大廠們在電池自燃頻發面前對電池安全越來越重視。最近Tesla在美國注冊了一系列專利都是和電池熱保護以及熱失控相關的。比如下面這個最近公布的專利，在電池組上添加了注液口，正常狀態下依舊可以滿足防塵防水的IP要求，但是在電池熱失控的時候，則可以使用特定工具通過注液口向電池組內注入散熱液由此將電池熱失控抑制在小范圍內。
其實哪怕沒有這么多自燃事件，電池安全也一直是電動車高壓安全和功能安全最緊要的一部分。比如這幾年高壓安全成為歐洲消防員必備培訓的科目，因為電池熱失控氣體燃燒的特殊性：氫氣本身燃燒的時候火焰是無色的，無法觀察很有可能筆直走入火焰中。另外電池自燃的時候自帶氧化劑和還原劑，所以關于電池組的滅火往往只是傾覆封存戒備蔓延。
另外也正是因為鋰電池的不穩定，電池組控制系統BMS也成為整車上和剎車相關的ESP平齊的關鍵安全系統。在電動車上，BMS往往和ESP一樣要達到功能安全認證的最高等級ASILD。
有很多原由都可能會導致電池熱失控，有純硬件的因素：碰撞，內部外部短路，或者個別電池單體的熱失控而導致的整體電池組連鎖反應。也有可能是軟件控制導致的，比如電池過充，電壓電流過高，或者主動冷卻系統失效。
這也是為甚么從硬件角度來說，電池單體的選型，電池組的結構和材料，詳盡在車身上的布置，以及冷卻系統的設計都會對電池安全造成影響。就像Tesla的電池組平攤放置在中央地板上，一般追尾的時候相關于放置于后備箱的電池組可以有效避免沖擊，但是卻更容易因為底盤刮蹭而受損。
而在軟件控制層面上，為了避免過充，SOC（stateofcharge）計算是不是準鋰電池確，依據SOC而設定的充電和防電電流和電壓限值是不是適宜，以及對電池組詳盡溫度的監控是不是有效等等都會影響到電池安全。最近的一起蔚來自燃事故初步分解的原由就是因為插入充電槍之后反復復充導致的，而復充邏輯本身則完全是控制軟件部分的設計。
正是因為高壓電池的不穩定性和各種頻發的自燃事件，這兩年各大主機廠都在從硬件和軟件兩方面下手改進電池組，尤其是安全相關的設計。在硬件方面目前可以分明看到的一個趨勢就是電池單體的選型趨勢越來越分明，軟包電池開始逐漸替代傳統的圓柱電池和方形鋁殼電池成為主流。
目前一般車載動力鋰離子電池單體有三種選擇，一個是被Tesla廣泛使用的圓柱形電池單體，非經常見，被廣泛使用在筆記本電腦中。
另外一個則是除了Tesla之外被歐美廠商廣泛使用的方形鋁殼電池，硬殼鋁制包裝，形狀相比圓柱電池更加規矩，在電動車中布置更加簡單，也被廣泛使用在對電池輕薄要求很高的手機、平板電腦這樣的使用中。
第三種選擇也是這幾年越來越多被使用在動力鋰離子電池范疇，并被汽車行業內部看作高壓電池將來所在的軟包電池。軟包電池使用形狀和大小設計靈活的袋裝外包，帶來一種更加靈活和輕量化的電池單體模式。
其實上面三種電池單體在化學本質上并沒有差別，更大的差別體今朝詳盡的單體構架和外包裝形式上。不要小看這些看似只是附件級別的差異，對整體電池組從成本，功能，布置到最終的安全都有決定性影響。
三種電池單體的比較可以參考下面這張表格，鋰電池廠家目前來看三種技術各有千秋：
軟包目前相對圓柱以及方形電池的最緊要優點在于輕量化和簡單的結構，比起圓柱和方形電池要輕薄得多。Tesla目前所用的圓柱電池因為容量標準化單體容量小，于是單體數量極多，比如ModelS85的電池組由7000顆18650的電池單體構成，將這些電池單體組裝為電池組要大量的支撐、連接和絕緣機構。
軟包的更多優點緊要體今朝將來的潛力。Tesla會選擇圓柱電池單體的一大原由就是成本優點和能量密度：圓柱電池的緊要成本優點體今朝加工線標準化程度高，電池單體的大小單一，所以加工成本低。而軟包電池的加工成本將在2025年左右追平圓柱電池，另外因為軟包電池非標準化，所以可以按照廠商要加工成不同的形狀和容量，非常靈活，從中期來看軟包電池成本優點將比圓柱電池更加分明。
另外也正是因為軟包電池單體不是標準件，在將來單體容量和密度的拓展潛力遠大于標準化的圓柱電池。
而回歸到電池安全問題本身，將來軟包電池的使用也會讓整體電池組更加安全。
-比如軟包電池的形狀和電池單體容量靈活多變，可以滿足不同電池組設計和布局的要，更容易滿足碰撞等意外中的電池組安全的機械設計要，不會因為布局的限制而犧鋰電池牲安全。
-軟包電池更加扁平，相對方塊電池更易于與冷卻回路交換熱量而高效冷卻。
-單體容量可以在將來大幅度拓展并且可以按照需求非標準化鉅大鋰電定制。在單體一致性越來越高以及BMS充放電控制、冷卻控制越來越精準的時候，大容量的軟包電池相比眾多小容量圓柱電池來說系統可靠性更高。
-軟包電池因為包裝準許形變，和方形電池一樣也要預留變形空間，一方面在組裝的時候要考慮正常電池充放電的形變因素（這是相對圓柱電池的劣勢），但是從安全角度氣體快速生成的時候會起到一個緩釋的效果。
目前在市場上已經有大量廠商開始使用軟包電池。尼桑的Leaf和通用的Volt電池組所使用的都是軟包電池單體。在歐洲大部分歐洲廠商也開始使用軟包電池，包括奧迪的e-tron和捷豹I-PACE。下圖所示的是12個LG軟包電池單體為一模組的I-PACE電池。
包括Tesla在2019年花2億美元買下做超級電容和電池的公司Maxwell，他們所展示的最新技術就是在10Ah軟包電池上使用的干電極涂層，相關于以往的濕電極圖層可以大幅降低電池在防電電流下的內阻容量損失，能量密度也可以超過300Wh/kg，將來計劃達到500Wh/kg，遠高于目前Tesla250Wh/kg左右的能量密度。而Tesla本身最為看重的就是電池的能量密度和單位成本，將來很難排除Tesla轉為使用Maxwell軟包的可能。
在國內，寧德時代去年開始供應量產三元軟包鋰電池，而億緯鋰能子公司億緯集能收到現代起亞軟包電池訂單，將來六年訂單需求將達13.48GWh。恒大最近除了控股國能汽車，收購了英國的Protean輪轂電機公司，還以10.6億人民幣收購電池公司卡耐新能源。
TIPS：卡耐新能源最初是由我國汽車技術研究中心和日本銀泰股份有限公司共同出資成立的我國最早的三元軟包電動力鋰離子電池制造商。
在國內的自主車企中，卡耐新能源首先一批開始供貨軟包電池的是前途體系下的三電系統核心業務模塊華特電動，并且被用在去年上市的前途K50車型上。
華特電動在2013年就確定三元鋰材料軟包電芯技術路線，緊要原由也正是因為長期來看軟包將來能量密度提升和成本降低的潛力最大，布置靈活有益于電池標準箱的策略。同時在安全方面單體提升容量減少數量后整體系統可靠性和安全性相對眾多的圓柱電池單體更高。而比較方形電池，軟包電池又更加容易冷卻，同時在熱失效排氣的時候具有更大的外包緩沖空間。在高壓電池的安全方面，除了基于軟包單體，前途汽車整體技術路線還采用標準電池箱設計。
以K50為例，它的電池系統就是由10個標準箱串聯布置在T型結構中，降低了車輛在不同行駛環境下對電池安全的影響，每個標準電池箱的結構是6并10串600個軟包電芯。在針對軟包電池的安全優化上，電池箱內部的電芯之間采用了緩沖設計，能夠更有效吸收因電池充放電導致的尺寸變化。標準箱體內布設了獨立水室，液體給電池供應更高效的散熱性。為了強化軟包電池的機械支撐和保護，標準箱體材質采用了高強度SMC復合材料，在加強絕緣性的同時并沒有犧牲軟包的輕量化優點。
從功能上說，標準箱設計的優點在于電池獨立模塊化，可以依據不同車型需求進行標準化組配，保證針對不同車型和動力總成構架快速搭配出不同的電池組組合。
而從安全角度考慮，標準電池箱的獨立電池管理系統可以實現對電芯的獨立管理和監控，倘若單個的電池箱失效或發生故障，可以保障故障的反饋及時性，同時只需單獨更換有問題的電池箱即可。并且單獨替換電池箱的成本更低，電池箱的高安全性及耐久型也能夠得到充足保證。
2020年前后不少這兩年新上市的電動車都進入耐久和可靠性的關鍵考驗期，可以預見的是會有越來越多的電池相關問題浮現出來。除了新的電池單體選型，關于電池安全目前主機廠和供應商還在冷卻系統，單體熱絕緣系統上改進設計，一方面避免熱失效，另一方面也在盡量將可能出現的熱失效控制在小范圍內。
其他改進還體今朝BMS電池控制系統的軟件和控制策略改進上，不少廠商開始追求BMS最高功能安全ASILD認證，并添加各類冗余設計，我會找機會再具體列舉高壓電池軟件部分的改進。
作者簡介：一個kebab，歐洲新能源汽車軟件研發團隊主管。
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