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1、动力电池及其充放电(上)
电芯-电池模组-电池Pack动力电池是电动汽车最关键的核心部件。动力电池易燃易爆，其安全性直接影响电动汽车产业的成败。动力电池占整车成本40%，车企大佬们公开叫屈：整车厂在为动力电池打工。苗圩谈道：成本降至100美元/kWh，电动汽车才能真正和燃油车竞争。动力电池是一个泛泛的概念。具体来说，安装到电动汽车上的动力电池，一般称为电池Pack（电池包）。在有些商用车上，电池Pack是很粗野的一种形态，请看下图，电池Pack就直接露在外面了。但是，在多数车型上，电池Pack是被底盘包裹了，并不能一眼就能看出Pack长成什么样子。图1.商用车的动力电池电池Pack由BMS、BDU、电池模组（电池模块）、电气系统、热管理系统、线束、箱体、壳体等组成。如下图
2、图3分别是某电池Pack的解剖图和爆炸图。图2.电池Pack实物解剖图? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图3.电池Pack 爆炸图电池模组由电芯串、并联组成。?电池Pack，电池模组，电芯形成一组概念。摘录网络上的一些描述：电芯（Cell）：组成电池组和电池包的最基本的元素，一般能提供的电压是3v-4v之间；电池组（Batteries）：由多个单体集合，构成一个单一的物理模块，提供更高的电压和容量；电池包（Pack）：一般是由多个电池组集合而成的，同时，还加入了电池管理系统（bms）等，也就是电池厂最后提供给用户的产品。电芯是构成动力电池的基本单元，一般是指锂离子电池。锂离子电池电压为3.2V- 4.2V，容量通常为 1200mAh-3000mAh，常见容量为 2200mAh- 2600mAh。电芯在工作的过程中会发热膨胀，在设计电池包的时候需要把这个因素考虑进去。电芯的工作温度对电池影响也很大，目前一般都是要求电芯可以在-40℃~60℃正常工作。从封装结构和材料上来命名，电芯分为圆柱形电芯、方形电芯和软包电芯 。圆柱形电芯主要有18650、4695和46110。18650 是锂离子电池的鼻祖日本 SONY 定下的一种标准的锂离子电池型号，其中 18 表示直径为 18mm，65 表示长度为 65mm，0 表示为圆柱形 电池。方形电芯方方正正很规则，目前动力电池领域方形电芯占据主导地位。方形电芯的外部材料一般是铝壳。软包电芯一般比较轻薄。软包电芯的最外壳是铝塑膜（67~151μm），非常薄，柔性可变。软包电芯的封住技术要求很高，同时软包电芯可以做成异型的，比如做成L型或者带有曲面形状甚至是台阶电芯等。图4.锂离子电池示意图由于一个电池包由成千上万个电芯组成，为了便于管理，电芯首先联结并放入框架中，从而形成电池模组（电池模块）。电池模组可以在热和振动等外部冲击中保护多个电芯。电池模组由多个电芯进行串联和并联后集成。将多个电芯跟框架结构、电池连接系统、绝缘组件等各种零部件连接组装到一起，再做上种种检测，根据市场需求的不同，会组装成不同的电池模组。在电池的组装过程中，模组可以对电芯起到支撑、固定和保护作用，所以其设计要求需要满足机械强度、电性能、散热性能、故障处理能力四个方面的要求。这些也是评判电池模组优劣的标准。电池模组是介于电芯单体与电池包的中间储能单元，它通过将多个电芯串并联，再加上起到汇集电流、收集数据、固定保护电芯等作用的辅助结构件形成模块化电池组。在关于模组的业内讨论，常会看到类似2P24S这样的表达，这里P指的是并联（Parallel Connection），S指的是串联（Series Connection）。把2组各由24个电芯串联而成的小单元并联起来，得到的就是共包含48个电芯的2P24S模组。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图5.Tesla 电池模组将多个电池模块进行串并联，再加上用来管理电池温度或电压等的电池管理系统和冷却设备等，就组成了电池包。采用这种方式，将多个电芯成一个电池包的形态后装入电动汽车。例如电动汽车(EV) BMW i3的电池。BMW i3共搭载96个电芯，其中12个电芯组成一个模块，因此共由8个模块组成一个电池包。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?图6.电池模组在网络上流传过一篇拆解特斯拉 Model S 电池的过程，图文并茂。特斯拉 Model S 的电池板由 16 组电池组串联而成，每组电池组由 6 组电池包串联组成，每组电池包由 74 节 18650 电芯并联组成，也就是说，每个电池组由 444 节 18650电芯组成，整个 Model S 的电池组板共有 7104 节 18650 电芯组成，它们是 74 节并联，96 节串联。CTM-CTP-CTB-CTC将电芯集成为Pack有不同的集成方式，所谓CTM、CTP、CTB、CTC。这方面的创新正是当前的热点。如前一节所述，电芯是动力电池的最小单位，也是电能存储单元。当多个电芯被同一个外壳框架封装在一起，并通过统一的边界与外部进行联系时，这就组成了一个模组。在往后，当数个模组被BMS和热管理系统共同控制或管理起来后，这个统一的整体就叫做电池包。?将电芯组装成电池包的过程中，电池能量密度的损失通常为30%左右。对于续航存在严重不足的电动汽车而言，这样的损失显然是有点大的，因此，不少相关企业在开发CTP、CTB、CTC技术。但是当前商用的主流还是CTM模式。CTM（Cell to Module）：最开始的新能源产业，希望将电芯标准化，进而利用规模化降低成本，但是各种车型需求不同，电池厂家的电芯尺寸也难以统一，后来退而求其次，将电池系统标准化转向了模组。过去几年电池系统集成化的重点就是不断提升标准化电池模组的尺寸，例如比较典型的590模组等。图7.CTM集成模式—当前主流的动力电池形态CTP（Cell to Pack）：CTP跳过了标准化模组环节，直接将电芯集成在电池包上，有效提升了电池包的空间利用率和能量密度。该集成方式最早由宁德时代在 2019年提出，此后比亚迪、蜂巢能源等陆续发布了各自的 CTP 方案，其中比较具有代表性的是比亚迪的"刀片"电池，它将单个电芯通过阵列的方式排布在一起形成阵列，然后像“刀片”一样插入到电池包里，这也是大家称之为“刀片电池”的原因。?另外一个在强调CTP路线是宁德时代，最早于2019年提出CTP的概念，到2022年6月才进化到第三代CTP，并正式命名为麒麟电池。一代的体积利用率55%，三代是72%，能量密度可达255Wh/kg。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?图8.CTP集成模式—比亚“刀片”电池CTB（Cell to Body）/CTC（Cell to Chassis）:?CTB(Cell to Body)技术这个词来自于比亚迪海豹的发布会。比亚迪CTB技术的方案是取消车身底板，将电池包的上盖和车身底板相连接。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?图9.CTB集成模式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图10.CTB方案特斯拉将此技术命名为Structural Battery，也是取消了车身底板，把电池上盖直接怼上去。与比亚迪CTB不同的是，比亚迪座椅还是固定在车身横梁上，而特斯拉直接固定在电池盖上。将电芯直接集成于车辆底盘的工艺。它进一步加深了电池系统与电动车动力系统、底盘的集成， 减少零部件数量，节省空间，提高结构效率，并且大幅度降低车重，增加电