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Tesla为什么采用18650电池

本文作者:游瑞 2014-12-14 16:44
导语:本文作者吴彬,对特斯拉汽车与锂电池颇有研究。首先做一个概念上的理清:层叠式电池 vs. 聚合物电池 vs. 袋装电池问题里提到了“层叠式(聚合物)锂离子电池”,请注意层叠式(Laminated)电池与聚合物(Polymer)电池是两个不同的概念。所谓聚合物电池

本文作者吴彬

首先做一个概念上的理清:层叠式电池 vs. 聚合物电池 vs. 袋装电池

问题里提到了“层叠式(聚合物)锂离子电池”,请注意层叠式(Laminated)电池与聚合物(Polymer)电池是两个不同的概念。所谓聚合物电池是指内部含有聚合物或胶体电解质的电池,而传统的锂离子电池的电解质是溶解在液态电解液中的。所谓层叠式电池是指内部电极片与隔膜是一层一层堆叠起来的,与之相对应的是卷绕式电池的卷绕电芯(18650电池就是卷绕式电池)。一般聚合物电池都采用层叠式结构,因此也可称为层叠式电池。但是,由于层叠式电池也可以采用液态电解液,因此层叠式锂离子电池也可能不是聚合物锂离子电池。

实际上,大部分电动汽车用的层叠式动力电池(Nissan LEAF,GM Volt等)都是液态电解液。之所以会产生这种混淆,大概是因为层叠式电池与聚合物电池一般都是用铝塑膜封装的,我们也称之为“袋装”(Pouch)电池。不过,袋装电池内部也有可能是卷绕式电芯。
聚合物电池现在似乎还没有应用在电动汽车上,我猜测主要原因可能是胶体电解质的导电性不太好,因此内阻较大。

Tesla为什么采用18650电池?

我在问题Tesla 的电池管理系统 (BMS) 相比其他电动汽车有哪些优势?中提到过几个原因,在此展开论述。

a. 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,每年的出货量大约有几十亿节。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。

在与美国一位电池界教授交流的过程中,他半戏谑地说过一番话:如果你从日本某厂商直接购买了同一批次的电池,然后用你的电池充放电测试仪器去同时测试它们,如果发现不同通道测出的放电曲线不一样,你应该怀疑你的设备而不是电池的一致性。

相比之下,层叠式锂离子电池远远没有成熟,甚至连尺寸、大小、极耳位置等都不统一,电池厂商所具备的经验也很不足,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将是一场梦魇。

总结来说,18650电池的单体容量小(一般不会超过3 Ah),所需的单体数量会很多(Roadster有6831节),但是一致性很好;层叠式电池的容量可以做得较大(30 Ah甚至40 Ah),单体数量可以降低,但是一致性差。

Tesla不是一家电池厂商,它在电池生产技术方面不会有太多的积累,现阶段也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,在品质控制方面应该有相当的功力。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。

b. 成本

Tesla采用18650电池,就可以利用日本松下等厂商之前的生产线进行生产。在消费类电子产品所用18650电池竞争日趋激烈的情况下,我想松下等厂商是非常乐意与Tesla合作升级产品,将原有的生产线改良后用于生产动力电池。

另外,工业生产有一个规模效应,当生产产品的规模达到一个量级之后,成本会大大降低。一辆Tesla就需要上千节18650电池,因此单体的采购价格应该可以压得比较低。

c. 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,因此日产的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。 LEAF的单体电池是这个样子的:

Tesla为什么采用18650电池

由四节单体电池两并两串组成的电池模块是这个样子的:

Tesla为什么采用18650电池

由48个电池模块串联组成的电池组是这个样子的:

Tesla为什么采用18650电池

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多个单体电池的温度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?再放一张Tesla冷却系统的图:

Tesla为什么采用18650电池

这些管道是冷却液的流道,流道交叉布置的样子很像发动机的排气歧管,这是为了使得各路管道的流动阻力大致平衡。

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。

d. 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电池是要高于层叠式锂离子电池。我这里查到的日产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。(注:Roadster和Volt都没有查到原装电池数据,我是根据相同电池厂商生产的相同容量的电池的数据计算得到的)

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。

Model S的设计应当比Roadster优秀得多,但是这方面的资料我还没有收集到太多,现在还没有办法做分析。

e. 安全性

前面提到层叠式锂离子电池的各种优点,但它也有一些缺点。由于层叠式锂离子电池一般是采用铝塑膜封装的,而铝塑膜的厚度薄,机械强度差,在汽车发生碰撞等极端情况下,铝塑膜很容易发生破损导致安全事故产生。这也就解释了为什么日产要在4个单体组成的电池模块外面再加一个铝壳。

18650电池一般是钢壳,安全性更好;而且前面也提到随着18650电池生产工艺水平的的不断提高,安全性也在不断提高。

Tesla在应对这些18650电池可能出现的安全事故上,也倾注了很多心血。如果一个单体电池出现温度过高等异常情况,根据异常情况的恶劣程度,这枚电池或其所在的模组会断电以防止事故的蔓延。由于单体容量小,只要不发生蔓延,事故的严重程度将是较低的。

我认为,Tesla当时采用18650电池,的确是最优选择。但是,随着Tesla在电池领域的经验不断积累,他们应该会尝试其他构型的电池。

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