Lab黑科技丨圆柱形电池VS软包电池,究竟哪种动力电池比较牛?

更新日期:2018-09-29
AutoLab汽车实验室


普通人对于电池的概念往往来源于圆柱形电池,比如小电器用的5号电池、遥控器用的7号电池等,但圆柱形电池仅仅是多种电池种类中的一种而已。目前汽车动力电池的电芯主要有三种,除了上述的圆柱形电池外,还有方形电池以及软包电池



应用圆柱形电池作为车载电池包的汽车厂家不在少数,其中最有名便是来自美国的特斯拉


举个例子吧,比如之前85kW‧h版本的特斯拉Model S电池组就是由近7000节18650圆柱形锂电池组成的!不过现在,特斯拉的电池已经由原来的18650改成了21700电池。


单节圆柱形电池的尺寸变得更大一些,电量也更多一些。如此一来,电芯的数量得以大幅减少,使得特斯拉在电池系统的控制方面也更为得心应手。



诚然,特斯拉在全球电动汽车领域,包括电池组、电驱系统等方面都是先驱者。但事实上,并没有多少国内厂家和特斯拉一样选择将几千枚圆柱形电池放一起形成一个电池包,硬要算的话,可能国内新兴造车势力零跑汽车可以拿来举个例子,他们旗下的S01车型使用的便是与特斯拉同规格的18650电池。


而其它更多的车厂选择的则是相对更为主流的铝壳方形电池。但由于很多方形电池组,虽然名义是方形电池,但是内部本质还是接下来要说的软包电池,所以本文跳过讨论方形电池


△别克VELITE 6电池包所用的软包电池


接着就要说到本文重点的软包电池了!


综合来说,软包电池的优势与劣势几乎相生相随,因为软包电池的形状是灵活设计的(根据客户的需求定制,电芯也是重新制作的),所以统一型号的现有软包电池数量太少,另外研发一套新的软包电池组成本也挺高的。


但软包电池相比圆柱形电池、方形电池的优势还是足够多的。就以上汽通过别克VELITE 6所用的模块化三元锂离子电池组中的软包电池为例,我们就能发现软包电池作为车载动力电池的与众不同之处。首先来看看软包电池是如何装载到汽车身上的?



如果我们把VELITE6的电池组模块拿出来单看,会发现电池外观就是一个“硬壳大包”,和所谓“软包电池”不符。其实啊,这个“硬壳大包”的内部实为叠片式的软包电池,一片片软包电池如同扑克牌一样竖直排列在一起,当然工程师所做的并不是简单地把它们放一起而已。


△图示为一个MINI堆垛单元


据通用内部工程师介绍,每两片软包电池组成一个所谓“MINI堆垛单元”的基础。通过流水线焊接在一起。电芯与电芯之间由铝制冷却片隔开,冷却液通过注水口注入,填充冷却片上的“毛细管”,循环流动并带走热量。此外,也可以通过线圈加热冷却液,使电池升温,即使在极端寒冷环境下,确保电池处于最适宜的工作温度。


两个软包电池、一片“毛细管”冷却片,再加上一个模组框架和一片隔热泡棉,就组成了一个完整的“MINI堆垛单元”。而一个电池模块总成由26个“MINI堆垛单元”组成。


△gif呈现的液冷-电芯堆垛示意图


并且VELITE 6有两个电池模块提供动力源,所以其所用的软包电池共计104个(2个软包电池 x 26个堆垛单元 x 2个电池模块)。和特斯拉车型上动不动就由几千枚圆柱形电池组成的电池包比较, VELITE 6的软包电池在总电量方面不占上风。



但是在重量和安全性能方面,无疑软包电池组是有优势的,并且VELITE 6的电池包还有一个厉害的地方,那就是与之匹配的电池热管理系统。



诚然,软包电池的优点众多,但也有明显缺陷,就是“一致性”比较差。所谓“电池一致性”指的就是电池组的综合性能,因为电池在不同温度下的热耗率(每产生 1kW•h 的电能所消耗的热量)是不一样的,这是由于电池内部的化学反应与温度是密切相关的。



如果电池在绝热或者高温等热传递不充分的内部环境中运行,电池温度将会显著上升,从而导致电池组内部形成“热点”,最终可能会发生失控。


所以说,电池的一致性对于整个电池组的性能和寿命产生很大的影响。如果想把软包电池成功应用到电动车上并保持稳定,就必须给它搭配非常牛的电池热管理系统!



热管理系统方面,相比于其他厂商模组级冷却,VELITE 6的软包电池组采用了电芯级独立液冷,电池组散热冷却循环分布到每个电芯单元,使得电芯温差控制在2℃以内,力求保证电芯的一致性。其实,说的更简单一点,也就是上文提到的“毛细管”冷却片……



其实这样的做法和特斯拉的圆柱形电池组有异曲同工之妙,在特斯拉车型的电池组内部,热管理系统的本质就是竖直排列的圆柱形电池被灌注水乙二醇的导热铝管所环绕,铝管外还有一层橘黄色的绝缘胶带。


△特斯拉Model S电池组拆解结构图


只不过不同于别克VELITE 6的“主动式液冷系统”,特斯拉散热铝管内的“冷却液”并不会流动!靠的是铝管传递热量来保持电池温度的一致性,虽然是被动式冷却,但是好在特斯拉的管理系统比较聪明,车辆很少会因为电池过热出现问题。


△零跑S01上所用的电池包


不过仔细想想,更考虑到寒冷环境下工作的话,还是主动式液冷更加靠谱,毕竟还可以多一个加热功能,只不过成本上去了。说到这里,还想顺便提一下零跑汽车用圆柱形电池作为车载动力电池的事儿,之前说了像特斯拉用的18650电池,虽然在重量和形状方面不具优势,但作为一种历经考验的电池类型,技术路线成熟,管理成本低,比较合适定位不高的电动车。


△零跑汽车S01


而相反的软包电池虽然优势众多,但碍于初期成本和管理难度大,比较不适合定位较低的电动车,反而更适合搭配在高端电动车上。据悉,现在新研发的车型都开始跳过圆柱形电池而转向软包电池了,就像上述的零跑汽车,据他们的内部工程师透露,未来他们也将选择软包电池作为车载动力电池。



总的来说,圆柱形电池和软包电池各有优势,也各有不足。随着电动车的蓬勃发展,未来其系统能量密度可能成为它们是否能脱颖而出的关键。


但考虑到形如别克VELITE 6上所用软包电池的优势,业内专家预计,随着电池路线的发展,软包电池在新能源汽车市场的渗透率将不断提升,未来软包电池在各类型电池中的占比有望继续扩大。



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