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冷知识!汽车电池和手机电池有啥不一样?

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发表于 2017-12-7 10:27:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
平时看到的电子设备的电池,都是一节一节或者是一块一块的,非常便于拆换,而且还可以轻易地拓展电池盒加大续航能力。可是,汽车的电池为啥会设计的那么笨重呢?手机上的电池和汽车上的动力电池,有哪些地方不一样?


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我们以刚上市的iphone X的电池作为手机界的代表,再拿刚在广州车展发布的全新BMW 5系插电式混合动力作为汽车界的代表。从以下角度进行对比分析

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1.
电池能量
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首先,最明显的差别就是电池的体量。iphone X电池的容量为2716mAh,按照3.7V的锂电池平均电压来看的话,电池的能量就是10wh。而另一边,5系动力电池的电池能量为13kwh,也就是13,000wh,相当于1300只iphone X的电池能量。

2.
放电能力
再看放电的能力,拿满电的iphone X玩王者荣耀,大约玩5个小时手机就需要充电了,那么计算下来,手机电池的输出功率大约在2W,这样子玩下来,手机电池基本上是发烫的。

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放到5系上,5系在纯电模式下可以以140km/h的速度高速行驶,此时达到电机的最大输出功率70kW,也就是约等于是电池的输出能力,相当于iphone X的35,000倍。那么,放电的发热量的差别也很惊人,所以汽车的动力电池基本上都要配备冷却系统才能安全工作。

3.
电池寿命
通常按照储电性能衰减到80%为基准,判定一块电池的充放电寿命,一般手机电池会做到1000次,使用期为两年多。

而5系动力电池中电芯的性能,可以进行5000次的充放电才衰减到80%,所以从工艺要求和成本上,也会有更高的要求。5000次什么概念呢?假如你有每天给车充满电的好习惯,日复一日从不间断,那这个电池可以用上十多年,怪不得汽车厂商可以给出8年12万公里的电池质保一点都不带怂的。

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光这三点,就可以说明,手机电池和汽车动力电池完完全全是两个数量级的产品,不论是千倍级的储电能力、大到必须进行热管理的放电能力还是对电池寿命的严苛要求,都决定了汽车动力电池设计上的复杂程度是远远高于手机电池的。

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而且事实上,手机电池的作用其实仅相当于汽车动力电池中一个单体电芯(Cell)的功能,都是最小的电能储存件。也可以认为,汽车的动力电池,就是一套对成百上千个单体电芯(Cell)进行安装放置并且管理运行的电池大楼。

汽车动力电池不光要进行充电放电的控制,还要令电池组中每个单体电芯都能处于合理的工作状况,并且把电池的循环寿命充分发挥出来。那么,差别不仅仅体现在了体量上,而且还有因为体量问题所带来的一切问题!

4.
组织形式
手机电池大多数是单体电池,就算有多个,基本也不会超过2个,那么每一个电池我们称其为一个Cell,也就是电芯的概念。

由于都是锂电池,手机和汽车的电池电压大小基本上是一致的,一般都是在3.7V附近,满电状态下可以达到4.2V,再充的话电池就要坏了。但是汽车没法用3.7V的电压去驱动呀!否则传输的电线得老粗老粗了,所以必须把一堆电池串联起来,形成更高的电压去提高能源的效率。

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那就需要把电芯(Cell)们组织起来一起工作,一般汽车动力电池的电压会在450V以内,那就是约100个Cell串联起来以后形成的电压。但是这么多Cell没法傻瓜式的一个挨着一个叠100多层呀!

于是,就有了模组(Module)的概念,就像生产队时期,村里分大队的概念一样,一般是12个Cell或者14个Cell组成一个Module。然后每个Module有着分管麾下所有Cell的职能,出问题了随时向上级汇报。

那这个上级是谁呢?我们叫做电池管理系统,也就是我们经常听说的BMS,英文是Battery Management System。

这个BMS并不是一个盒子的范畴,而是涉及到各种传感器(如电芯监控单元)、控制器(如电池管理主控制器)、执行器(如开关盒)一系列元件所组成的一个管理系统,这个上级要确保下面每个大队里的每一个劳动力都健健康康地吃喝拉撒,为实现清洁持久的动力能源而协同一致。

5.
工作环境
如何保障汽车动力电池的高效能高寿命?那就出现另一个区别了,就是电池的工作环境。和手机-20°C至60°C的工作温度相比,汽车动力电池的工作条件更为矫情,一般会控制在0-30°C的范围内。

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同时,电池对工作环境的气压和湿度也有更高的要求,一般会通过一道防爆阀来平衡内外压力并且阻止外界的水蒸气进入。也正是因为做了这些工作条件的建设,汽车动力电池的寿命才得以比手机电池更长。

那么,温度怎么来控制呢?因为高功率时电池的快速放电会堆积大量的热量,一旦温度过高,不光电池寿命会受到极大的摧残,整个电池包甚至会因此爆炸起火,非常危险。

飞机上行李舱内温度较高(约60°C)故不允许托运锂电池,电子产品进微波炉加热会炸均是因为这个原因。所以,汽车的动力电池,都必须配有一套专属的冷却系统,常见的做法会有一套单独的水循环系统来对电芯来进行降温,确保电池最佳的工作温度。

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但也有例外,全新BMW 5系插电式混动车型则是利用了空调的制冷系统对电池进行冷却,这种功能整合减少了汽车上的配件冗余,同时也节约了成本减轻了重量。否则,电池包的体积至少要再大一个块头出来,用来放一个水泵和一个散热器。

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6.
安全要求
手机电池的生产,由于批量非常大,一般会追求利益最大化,设计边界往往就卡在安全线内一点点,有点像在刀尖上跳舞的意思。三星Note7就是属于跳舞太大意了,直接炸了十几万用户。

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但是这种事情放在汽车上,则是一万个不允许的,这个一旦炸了,不光是车上的一家几口人的生命,恐怕汽车企业的生命也一起葬送在电池上了。

所以,对于汽车动力电池的验证过程是极其严苛的,像BMW的动力电池包,会针对挤压、震动、内部加压、喷水、火烧、腐蚀、浸泡等多种极端工况进行实验验证,确保在装车之后的使用过程中动力电池的安全方面可以万无一失。

7.
工艺要求
上文中,介绍汽车电池为了有高电压,所以是串联的,但是串联的电芯会产生“木桶效应”,这是汽车动力电池最需要克服的核心难题。

众所周知,“木桶效应”意味着水桶装水的能力取决于最低的那块木板,串联在一起的电芯们也是这样的,由于是串联,所以各个电芯之间进行的电荷转移是一致的,那么当一个电芯的充电上限降低了,或者放电下限上升了,都会影响整个电池组的储电能力。

在电池管理上,一般通过被动均衡和主动均衡两种办法去平衡电芯的性能,目的是令其他电芯做出一些额外的充放电行为去迁就那块最差的电芯,以实现整体性能的最大利用。但如果电池在生产或者使用过程中,出现了性能良莠不齐,那就会产生极大的性能衰退和资源浪费。

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那用什么办法来确保电池性能的一致性呢?上面也介绍了一些,通过温度的管理来让电芯的工作温度稳定一致,衰减程度也趋于同步。

另外方面,在生产电池的时候,就要求电芯产品的性能也稳定一致。宝马的动力电池工厂,就把模组的装配生产放在了自己工厂里进行,工厂将CATL(宁德时代)的电芯送到产线上,通过电芯检测、等离子除污、贴绝缘膜、极光焊接、视觉化智能检测之后,在一个稳定温度低湿度的环境中封装成模组,之后再拼接成双模组,最后再完成动力电池包的总装。

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最后完成的动力电池包,大约就是这个样子的。全新BMW 5系插电式混合动力车型的电池包是由4个双模组组成的,也就是8个单模组,每个模组是12块电芯,总共是96块电芯。

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所以说,汽车的动力电池包,就是要创造一个理想的环境去管理这么多的电芯,使其性能可以满足汽车的使用需要,包括性能、安全、耐久性。而不是像手机那样,使用了两年左右,如厂家所愿,也如你所愿,差不多就该换一台了。

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发表于 2018-1-2 08:36:27 | 显示全部楼层
本质上都是一样的,都要满足基本的测试,动力电池更要严格一些。
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发表于 2018-12-19 17:16:04 | 显示全部楼层
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科普贴啊楼主
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