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新能源電動汽車為何選用18650電池?

放大字體??縮小字體 發布日期:2019-07-22 14:01:42 ??來源:新能源汽車網??編輯:全球新能源汽車網??瀏覽次數:561
核心提示:2019年07月22日關于新能源電動汽車為何選用18650電池?的最新消息:  對于用18650電芯做為新能源電動汽車電池的技術路線,大家可能首先把目光轉向特斯拉。特斯拉在進行電動汽車電池開發時,測試了很多種類的電池,但最后把目標鎖定在18650電池,那么
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  對于用18650電芯做為新能源電動汽車電池的技術路線,大家可能首先把目光轉向特斯拉。特斯拉在進行電動汽車電池開發時,測試了很多種類的電池,但最后把目標鎖定在18650電池,那么究竟18650電芯有哪些優缺點?


  首先對18650圓柱形鋰離子電芯做簡要認識


  18650其實是指電池的外形規格,是日本SONY公司當年為了節省成本而定下的一種標準電池型號,其中18表示直徑為18mm,65表示長度為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,由于鎳氫電池現在比較少用,所以現在多指鋰離子電池。18650鋰離子電池單節標稱電壓一般為3.6V 或3.7V;最小放電終止電壓一般為2.5~2.75V。常見容量為1200~3300mAh。
  關于一致性
  18650電池是最早、最成熟、最穩定的鋰離子電池,廣泛應用在電子產品中。多年來,日本廠商在18650電池的生產工藝上積累了大量的經驗,使得產出的18650電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。
  相比之下,層疊式鋰離子電池遠遠沒有成熟,常見的有方形電池、軟包電池,甚至連尺寸、大小、極耳位置等都不統一,電池廠商所具備的生產工藝也不能滿足條件,大多數以人為控制為主,電池的一致性達不到18650電池的水準。如果電池的一致性達不到要求,大量電池串、并聯形成的電池組的管理也將不能讓每個電池的性能更好地發揮,而18650電芯可以解決這一問題。
  總結來說,18650電池的單體容量小,所需的單體數量會很多(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),單體數量可以降低,但是一致性差。相比之下,現階段很難投入大量的人力物力與電池供應商一起去改善層疊式電池的生產工藝。因此,在研發Roadster和Model S的時候,Tesla的唯一選擇是從市場上去購買電池,自行開發電池系統。開發一套管理6000多節單體一致性很好的電池系統與開發一套200多節一致性很差的電池系統,相比之下,前者的技術難度應該更低一些。即使單體電池數目增多,但是如果這些電池的性能是可靠的,管理起來還是容易一些。
  對比另一款很成功的純電動汽車,日產的LEAF,它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因為日產與NEC合作多年,在電池技術方面積累很深厚,在品質控制方面有相當的功力。LEAF的電池來自AESC--日產與NEC的合資公司。
  對比下美、日、中等不同地區的汽車廠商在開發電動汽車時與電池廠商的合縱連橫是一件非常有意思的事情。
  關于散熱能力
  層疊式電池的厚度薄、表面大,均熱、散熱能力都不錯,因此日產LEAF很大膽地采用了被動式熱管理系統(其實就是不管理!),由空氣的自然對流將熱量帶走。
  從左到右,LEAF從單體,到四節單體電池兩并兩串組成的電池模塊,再到由48個電池模塊串聯組成的電池組如下圖所示:


  可以看到,電池組上沒有任何的風扇、冷卻液管道等熱管理系統。大概這就是無招勝有招。
  反過來看Tesla,18650電池的個頭比較小,在正常充放電時單體電池內部的溫差也不會太大。但是,6000多個單體電池的溫差也應當保持在不超過5 C的范圍內,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 (BMS) 相比其他電動汽車有哪些優勢?


  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。
  總結來說,由于采用了小容量的18650電池,Tesla的熱管理系統的復雜度是大大增加了的。也就是說,如果從散熱能力方面考慮,使用小容量的18650電池不是最優選擇。
  關于能量密度
  談到能量密度,就必須區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看,18650電池要高于層疊式鋰離子電池。日產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電池的管理系統更加復雜,由此額外增加的重量會使得電池組的能量密度遠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不相上下。
  18650跟26650的能量密度。這里按重量計算,因為重量關系到拿起來累不累。
  26650 5000毫安時。18650 ga 3300毫安時。問題是26650 93g,18650只有47g。
  意味著,那么,這么推理,按26650能量密度,18650只有2527毫安時。按18650能量密度,26650應該要有6530毫安時!!但實際只有5000毫安時。
  繼續推理,2個18650 94g,6600毫安時,重量約等于1個26650,但容量大了1600毫安時,多了32%。2個可以提供20A放電能力了。所以,18650按重量計算,比26650更適合手電使用!
  圖為包皮26650,18650為ga自己包皮的。
  目前應用比較廣泛的18650電池已有多年的發展歷史,相對其他類型電池技術雖然較成熟,但依然面臨著產熱高、成組復雜、無法實現快充等問題。在這樣的背景下,21700圓柱三元電池應運而生。
  2017年1月4日,特斯拉宣布與松下聯合研發的新型21700電池開始量產,并強調這是目前可量產電池中能量密度最高且成本最低的電池。
  21700電池:
  電池21700是圓柱型電池的型號,具體指:21——指圓柱電池的外徑為21mm;700——指圓柱電池的高度為70.0mm。
  這是為了適應電動汽車對更長續行里程的要求,為提高車輛電池空間有效利用率,而開發出的新型號。同種材料,21700相比常見的18650圓柱鋰電池,容量可以高35%以上。
  新型21700具有四大顯著的優勢:
  (1)電池單體容量提升35%。以特斯拉生產的21700電池為例,從18650型號切換至21700型號后,電池單體電池容量可以達到3~4.8Ah,大幅提升35%。
  (2)電池系統能量密度提升約20%。特斯拉披露的數據來看,早期使用的18650電池系統能量密度約250Wh/kg,后來其生產的21700電池系統能量密度在300Wh/kg左右,21700電池的體積能量密度比原有的18650高出近20%。
  (3)系統的成本預計下降9%左右。從特斯拉披露的電池價格信息分析,21700電池的動力鋰電池系統售價為170美元/Wh,而18650電池系統的售價為185美元/Wh。在Model3上使用21700電池后,僅電池系統成本就可以下降約9%。
  (4)系統的重量預計下降10%左右。21700整體體積大于18650,隨著單體容量提升后,單體能量密度更高,所以同等能量下所需電池單體的數量可減少約1/3,在降低系統管理難度的同時也將減少電池包采用的金屬結構件及電氣配件的數量,這進一步降低了電池的重量。三星SDI改用一套新型21700電池之后,發現系統相比目前的電池減少10%重量。
  保持了18650型電池所具有的高可靠性和穩定的性能,21700電池性能在各方面均比18650有較大提升。此外,相較于其他電池型號,21700從電池原材料選用、制作工藝和技術流程等方面,都和技術較成熟的18650電池相似。因此18650與21700的產線大部分可以兼容,部分企業比較穩妥的辦法是在生產線上做文章,將生產線向21700和18650兼容上靠攏。
  動力電池追求高比能已成不可逆的趨勢,眾多電池企業開始把目光轉向布局21700電池。一些企業的生產線從國外進口,但組裝上都是自己進行,因此可以投入較少的成本實現18650向21700的轉化。
  目前國內廠商代表有力神電池、比克電池、億緯鋰能、猛獅科技等企業,除此之外,天臣新能源、天鵬電源、創明新能源、智慧能源、智航新能源、橫店東磁、海四達、安徽泰能等電池企業也紛紛布局21700電池。
  純電動車電池的能量密度高低有多重要?
  這似乎就像在討論心臟的跳動對于人體有多重要一般,一輛純電動車,或者說的更標準一點,一輛電池動力車的性能、續航里程、可靠性都取決于其電池包內的電池數量以及單節電池內的能量密度。這個公式很好理解:總電量=電池數量×單節電池能量密度。
  而現代汽車的結構設計其實已經很死板了,留給電池組的空間也就那么一點,大部分車型都集中在坐艙地板下方,當然這也是出于安全性和空間性的考慮。
  所以說,電池數量已經被限制在某一個區間內,無法大幅提升。想要增強電池車性能,唯有在能量密度上做文章。
  什么是電池能量密度?
  能量密度(Energy density)是指在一定的空間或質量物質中儲存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質量所釋放出的電能。電池能量密度=電池容量×放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長度,基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)。
  電池的能量密度越大,單位體積內存儲的電量越多。
  據悉,電池的能量密度基本由電池的正負極決定的,但只是正負極活性材料也不能保證電池能發上電,得有很多非活性物質,比如導電輔助劑、活性粉末之間的粘結劑、隔離膜、陰陽極的箔材、絕緣固定的膠紙、鋁塑膜殼或者鋼鋁殼等等。
  我們中大部分人總是有意無意的忽略這部分物質的含量,得出的能量密度與事實相差較大,誤導吃瓜群眾。其實,這部分相當重要,就拿過去十幾年的技術進步來說,電池能量密度的提升主要就是靠著活性物質占比的提升來實現的。
  還有的就是以增大原來電池尺寸來達到電量擴容的效果。
  我們最熟悉的例子莫過于:率先使用松下18650電池的知名電動車企特斯拉將換裝新款21700電池。而原因并非18650電池有任何質量問題,只是18650電池單顆容量小,普遍在2-4Ah左右,串并聯數量過多,單體失效風險概率較大,導致其在電動汽車領域的應用受到一定的限制。
  而21700電池在尺寸上相比18650電池(直徑18mm,長度65mm)更大,達到了直徑21mm,長度70mm。如果想再形象一點來考慮這個問題,我們不妨來看看來自Hitech Energy的計算,僅考慮單體的密集堆積進行計算,可知:30支21700的體積是40支18650體積的1.1倍,質量則為0.97倍。
  在同等能量下,所需電池的數量可減少約1/3,電池包內部金屬連接件數量減少,從而進一步降低電池包的重量,整車的能量密度將得到部分提升,達到接近300kw/kg。
  以下三點尤為引人注意:
  1.到2020年,鋰離子動力電池單體比能量大于300Wh/kg;系統比能量爭取達到260Wh/kg;成本小于1元/瓦時;使用環境達-30℃到55℃;具備3C充電能力。
  2.到2025年,單體比能量達500Wh/kg。
  3.力爭實現單體電池350Wh/kg、系統260Wh/kg的鋰離子電池產品產業化和整車應用。
  我國各電池動力鋰電池能量密度達到什么水平了呢?
  比亞迪:目前,比亞迪磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150Wh,而接下來比亞迪計劃將能量密度繼續提升到160Wh。除了磷酸鐵鋰電池,比亞迪也在同步開發三元鋰電池,而如果將三元鋰電池的技術結合到磷酸鐵鋰電池上,對原有用石墨作為負極材料的做法進行一些調整,那么在2020年左右,比亞迪計劃將磷酸鐵鋰電池的單體能量密度提升到200Wh。
  另外,在跟進的三元電池方面,比亞迪的三元電池已經具備量產條件,目前能量密度也達到了200Wh/kg。比亞迪三元電池的目標是2018年電池比能量達到240Wh/kg,2020年達到300Wh/kg。
  沃特瑪:生產的32650圓柱型動力磷酸鐵鋰電池,單體能量密度已經達到145Wh/kg,下一步目標是實現160Wh/kg;三元電池目前能量密度為200Wh/kg,預計到2020年達到300Wh/kg的水平。
  國能電池:早在2013年,國能磷酸鐵鋰和三元電池單體能量密度就達到了160Wh/kg和200Wh/kg。預計2017年年底,磷酸鐵鋰電池單體能量密度將達到180Wh/kg、PACK達到134Wh/kg,三元電池能量密度將突破240Wh/kg。
  捷威動力:在能量密度方面,公司目前已經量產的三元軟包電池單體比能量達210WH/Kg。在提高電池安全性的基礎上,預計2020年公司軟包電池單體能量密度可達300WH/Kg,Pack成組后可達220WH/Kg;鈦酸鋰電池單體能量密度達到110WH/Kg以上。
  智慧能源:公司量產的動力電池單體能量密度可達220Wh/Kg,PACK成組后能量密度達到140Wh/Kg。同時,公司BMS系統可做到5級防護,電池包采用輕量化材料,并進行了結構優化。
  比克電池:2016年,比克三元材料動力電池行業占比30%以上,位列第一。目前比克單體電芯能量密度近220Wh/kg,后續還將進一步提升至300Wh/kg。
  卡耐新能源:卡耐新能源已經可以批量供應能量密度220Wh/kg電芯,系統比能量大于130Wh/kg電芯,同時工藝和技術層面已經分別實現250Wh/kg、技術300Wh/kg產品儲備。

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關鍵詞: 新能源汽車 電動汽車 新能源 電池 能量密度 電池管理系統 新能源技術 鋰電池電動車 鋰電池 電池組 比亞迪 電芯 bms


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