三元锂电成主流?江淮iEV5电池工艺揭秘

2015-09-24 19:49:04来源: 汽车之家
    引言:地处中国内地的江淮汽车在今年率先在其第五代纯电动汽车江淮iEV5(下称iEV5)上使用了18650三元锂电池作为储能单元,相信不少网友存在车用三元锂电池模块究竟是如何制造的这样的疑问,今天我们就走进淮汽车为您进行揭秘。

说到三元锂电池,之前最广泛应用于乘用车的案例就是特斯拉了,而国内的电动汽车制造商主要力推的是的磷酸锂铁电池。三元锂电池(镍钴锰)主要安全及热稳定性低(相对磷酸铁锂材料而言)的缺点,但是三元锂电池在能量密度和单体产品成本方面有比较明显优势。而随着电池电量、热量管理技术的逐步成熟,如北汽、长安以及之前一直坚持使用磷酸铁锂电池的比亚迪都在其最新研发的产品中开始使用三元锂电池。而地处中国内地的江淮汽车在今年率先在其第五代纯电动汽车江淮iEV5(下称iEV5)上使用了18650三元锂电池作为储能单元,相信不少网友存在车用三元锂电池模块究竟是如何制造的这样的疑问,今天我们就走进淮汽车为您进行揭秘。

于今年4月在上海车展上市的江淮iEV5是国内第一款采用18650锂电池组件作为储能单元的纯电动车型。该车具有23kWh的电池容量,厂商公布的最高续航里程可达240km,使用专用充电桩进行直流电充电只需1小时即可充入80%的电量(220V家用电充电8小时充满),完全满足日常使用的需求。该车的厂商指导价格为18.08万元,不过从上的车主成交价格来看,北京、上海、湖北、安微等地的裸车价格均不到10万元,是一款性价比很高的城市短途代步用车。

● 什么是三元锂电池

目前车用动力电池已经经过了最初的一次性电池(上世纪1873年,戴维森刚刚发明电动汽车时)到铅酸电池,再从镍氢电池到锂电池为主的现代车用动力电池格局。锂电池具有每千克重量储能多(能量密度大)以及可循环次数大的优势,所谓的“三元锂电池”简单来讲就是电池正极材料由三种金属元素与锂共同构成的锂电池种类,如目前大量应用的镍钴锰酸锂电池,下面我们就首先来了解一下锂电池的各种特性。

铅酸电池污染大、能量密度低主要作为汽车电瓶使用,在这里我们就不做介绍了。镍电池在单体能量密度上低于锂电池,不过在锂电池还未大量普及的时代,电动车多以镍氢或是镍镉电池作为储能单元。在混合动力明星车型普锐斯上就大量使用了镍氢电池,而且普锐斯在镍氢电池技术方面有独到之处,厂家宣称其搭载的镍氢电池寿命超过10年。不过我们也知道,在新一代普锐斯上也开始搭载锂电池了……

 

如果不具备丰田在电池寿命管理上的“黑科技”那么使用技术更加先进的锂电池就成了各个车企的最佳选择。锰酸锂电池目前启辰将其应用于晨风之上,其应用技术比较成熟,但是能量密度、电池循环寿命同磷酸铁锂电池和镍钴锰酸锂电池相比都低了不少,基本同镍氢电池相当;而比亚迪使用的磷酸铁锂电池在电池循环寿命以及能量密度方面都有由于锰酸锂电池和镍氢电池的表现。

而以镍钴锰酸锂电池为代表的最新一代的三元锂电池(正极材料由三种材料构成),不论是电池循环次数还是最重要的每千克储能数量都有了质的提升。单纯从这方面来看,三元锂电池确实是现阶段新能源汽车上动力电池的最佳选择。

锂电池可以有多种形状,除了18650这种金属外壳圆柱状电池之外,还有外壳为铝塑材料的软包装形式以及方形电池种类。其中铝塑包装的软壳电池是目前应用最为灵活的锂电池形式,其大小、厚度都可以自由定制,而且可以多片堆叠,具有相当的应用灵活性。

当然,除了以上的常见的锂电池制式之外,还有各大电池生产商为车企定制的“高阶版本”锂电池包,它们目前在新能源汽车上使用也比较多。如三星SDI为宝马i3和i8定制的高压锂电池包,有着同小型铅酸蓄电池一样的外观。而应用在日产聆风上产自AESC的锂电池包则为片状,起保护作用的金属壳内包裹的是普通软包锂电池。

不过三元锂电池也有一些先天的劣势,它相比磷酸铁锂电池来讲更加“娇气”:如果工作温度过高则会永久性地影响电池寿命,温度太高还会起火燃烧甚至爆炸。锂电池燃烧时释放的高温气体甚至能够直接烧穿3mm厚的铝板,因此如何为电池提供一个安全稳定的工作环境就成了各个厂家工程师们思考的问题。比如江淮汽车早在2011年就生产了少量锂电池版本的同悦第二代电动车以验证电动车搭载18650电池的可靠性,经过四年的技术验证,终于在iEV5上正式将这一技术量产化。

● 与特斯拉18650电池技术的不同

就像前面说到的一样,锂电池十分娇气,在成百上千个锂电池紧密排布构成的电池组中,如果一颗电池发生短路故障之后释放的热量极易导致连锁反应牵连到周围的电池。所以为了将锂电池更加安全地放在车上,工程师们想了不少办法。以特斯拉为例,它的7000余只18650电池每只都有独立的保险丝,能在单只电池电流过大时及时断开与之的电路连接,并且电池组采用循环液冷设计,能够及时带走电池产生的热量,使它们工作在一个稳定的温度环境之中。

普通18650电池只有正极才有安全泄压结构。电池发生故障时产生的热量和气体只能从一个方向排出。因此电池容易发生横向的鼓包或是炸裂,这在排布紧密的动力电池组件中可以说是灾难性的结果。所以华霆动力和天津力神的工程师们在研发江淮iEV系列上使用的18650锂电池组时,比特斯拉的电池组安全策略又进了一步:他们对单个18650电池的结构进行了优化。增加了电池负极的泄压机构,在发生故障之后电池产生的热量和气体能在水平方向上有两个通道释放,进而不会产生电池爆炸,将其对水平方向上布置的其它电池的影响降到最低。

而对整组电池的安全保障方面,江淮电动车电池组采用的安全策略同特斯拉基本一致,不过现在看来江淮甚至会微微高明一些。二者都在单个电池与电池组之间设计了保险结构,能够保证单个电池在电流过大时通过熔断的方式来断开个别电池。特斯拉采用的是单根保险丝的设计,江淮iEV系列的电池则采用了带有弹性的荣短片设计。我们知道车辆在日常行驶中震动一直如影随形,江淮采用的电池负极连接物为螺旋状的弹性熔断片,能够吸收更多的震动。设计上更加高明,理论上对恶劣环境的应对能力也更强,也更加适合国内的用车环境。

    ● 电池组揭秘

江淮汽车将iEV5的电池组件委托给了合肥日上电器生产。在这里,我们将揭开iEV5三元锂电池的神秘面纱,了解这款电池包的生产过程以及在技术上有着怎样的独到之处。

iEV5上使用的电池包容量为23kWh,比iEV4高出3.8kWh。得益于电动机以及电池的更新换代,使得iEV5的续航里程比前代车型高出40公里。电动机最高功率比前代车型高出11马力,最大扭矩则提升至215牛·米比iEV4高出45牛米。

电池包的上壳体采用质量较轻的高分子复合材料制成,由于这个部分直接和车体底盘相连,iEV5采取的措施是将车身底部结构进行强化用以保护电池包,因此在结构上不需要做加强。

同电池包上壳体不同,电池包的下壳体格外坚固。整个壳体大体上由两层钢结构焊接而成,外层还有塑料护板,其中高强度钢材的使用比例达到了63%,整个电池包具有IP67等级的防护密封效果。

● 什么是IP67密封等级

 IP(INGRESS PROTECTION)防护等级系统是由成立于1906年的国际电工委员会(IEC)所起草,将电器依其防尘防湿特性加以分级。IP防护等级是由两位数字所组成,第一位数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级,由低至高分为0-6级;第二位数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度,分为0-8级,数字越大表示其防护等级越高。感兴趣的朋友可以看看《百度百科》上对它的解释。

 

 接下来就来看看电池包的内部,在电池包内占用面积最大的自然是电池了,不过动力电池最重要的还有电池管理系统,简称为BMS。江淮iEV5电池包的电量管理系统采用了华霆动力的管理方案,这家公司可能大家比较陌生,不过他们的技术负责人曾在硅谷工作,参与了特斯拉Roadster的研发工作,并于2009年,也就是Roadster发布之前回国创业。那时,特斯拉的专利技术还未公开,华霆动力车用电池包的研发过程中采用了与特斯拉不同的设计理念,在技术上规避开了特斯拉的专利壁垒,开发出了适合中国市场环境的电池技术。

iEV5的电池管理系统可以让电池包在长寿命充电模式和长里程充电模式下工作,这是它的最大特色,在长寿命模式下,电池充电和使用都被严格控制在对电池寿命最优的模式之下,不会过度充电也不会被过度放电。而在长里程充电模式下,电池会被以接近饱和容量的电量进行充电,尽可能多的塞进更多能量以供车辆行驶更多里程。

具体到单节电池上,这些18650电池由天津力神电池提供。这个厂家之前为摩托罗拉、三星等知名厂商代工生产锂电池的经验。iEV5电池包所采用的锂电池单个电池容量为2200mAh,相比特斯拉上使用的松下3200mAh的电池在容量上要小近1/3,在电池单体容量方面,iEV5的电池包还有提升空间。不过容量方面的牺牲换来的是产品可靠性与一致性的提升,因为需要大规模使用18650锂电池,如果单颗电池出现质量问题,容易引起整个电池包的质量稳定性下降。因此在车用锂电池领域,稳定性和产品一致性的要求高过电池容量。

电池组的焊接全部经由机器自动完成,工人只负责“装料”以及检查焊接质量。上图为电池负极的超声波焊接工序,由于负极材料为具有保险丝功能的熔断片,高温会使其融化。因此不能使用高温的电阻焊方式进行焊接,只能使用焊接产热更少的超声波焊接。图中左上方的显示屏即为焊点实时放大图像,用于及时监控和判断是否存在焊接质量问题。

江淮iEV5的电池包共使用2944颗18650电池,构成方式为:每32颗18650电池并联成一个电池包中最基本的单元,而整个电池包由92个这样的电池单元串联而成。

大量的锂电池密集排布会带来一个温度控制的问题,锂电池,尤其是三元锂电池对工作温度要求较高,在工作时需要一个稳定的温度环境。特斯拉由于电池经常需要大电流工作,发热量更高,所以在这方面采取的措施是将整个电池组包裹在冷却液中,通过液冷的方式主动管控电池包工作温度。而江淮iEV5的电池包发热量不及特斯拉,因此采用的是风冷的方式进行电池热管理。

与上一代车型采用的常温风冷技术不同,这代iEV5的电池包内集成了一个专用的蒸发器和风机。这个蒸发器同车载空调系统相连,直接调用iEV5上搭载的电动空调压缩机为其工作。布置在电池包正中央的蒸发器和风机将电池包内的空气带动循坏。气流循环流向如图中所示,能够及时为每一块电池降温,将电池包的温度控制在一个恒定的范围之内。而据江淮汽车的技术人员透露,采用液冷技术的电池包也在未来的开发计划之中。介于目前的空调风冷系统已经能够保持电池包温度恒定的情况,因此从开发液冷电池包的信息可以推断,未来江淮的电动车电池容量以及电动机功率还将有所提升。

文章总结:

三元锂电池的优势在于其能量密度和电池循环次数上,从目前的技术发展来看,三元锂电池是纯电动汽车储能单元的最优解。之前国内的纯电动汽车生产厂商因为成本或是技术原因没有采用三元锂电池作为储能单元,但是现在我们看到不仅是江淮,北汽、长安甚至是一直力推磷酸铁锂电池的比亚迪都开始使用三元锂电池了。从这次对江淮iEV5电池包生产过程与技术的了解来看,针对三元锂电池的特性,需要攻克和掌握的技术问题已经基本得到解决;而18650电池产品的质量稳定性和产品一致性也能通过向大品牌电池生产商采购得到解决。在中国品牌电动汽车生产领域限制三元锂电池普及的最大两个技术障碍在目前看来正在被逐渐克服,因此我们有理由相信,将会有越来越多采用三元锂电池作为储能单元的新能源车型出现。

关键字:锂电  江淮  电池  工艺

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2015/0924/article_11509.html
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