800V高壓系統(tǒng)對電池的影響

時間:2021-05-27 08:51來源:NE時代 作者:Summer
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       電芯層面

       高壓快充對電池的倍率性能提出要求
 
       高壓快充，其本質(zhì)就是要提高充電速度，解決用戶的充電焦慮。如今普遍使用的400 V電壓系統(tǒng)(250 A電流)可以達(dá)到100 kW的充電功率，電池由30%SOC充至80%SOC需要約30min，距燃油車的加油速度還存在很大差距，即使在未來將電流增加到500 A，也需要15min左右，而800V高壓未來能達(dá)到300-500 kW的充電功率，只需幾分鐘就能迅速補(bǔ)能，可以媲美燃油車的補(bǔ)能速度。
 

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       充電時間的減少在給消費(fèi)者帶來更好體驗(yàn)的同時也給電池帶來了考驗(yàn)，電池的充電速度主要取決于鋰離子的脫嵌和遷移速率，當(dāng)采用800V電壓平臺后，充電倍率最大可達(dá)6C（目前普遍為1C），在高充電倍率下，鋰離子脫嵌和遷移的速率加快，部分鋰離子來不及進(jìn)入正負(fù)極，只能形成一些副產(chǎn)物，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失，加速電池壽命衰減。且動力電池在快充條件下，析鋰現(xiàn)象加劇，一方面將造成活性物質(zhì)的損失，影響電池容量和壽命；另一方面，鋰枝晶一旦刺穿隔膜，將導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，造成起火等安全風(fēng)險。
 
       為解決上述問題，業(yè)界針對電池各組分做出了大量努力：
 
       正極材料方面，最新的亮點(diǎn)技術(shù)有蜂巢能源的前驅(qū)體定向生長精準(zhǔn)控制技術(shù)，通過控制前驅(qū)體合成參數(shù)，一次粒徑放射狀生長，打造離子遷移“高速公路”，提高離子傳導(dǎo)，以及廣汽埃安的石墨烯電池，石墨烯電池是將石墨烯與鎳鈷錳酸鋰三元正極材料混合制成，石墨烯形成一個近似球面的三維結(jié)構(gòu)，它能很好地與三元正極分子結(jié)合，增大相互之間傳遞電荷的面積，從而提升電荷傳遞效率，將充電速度加快至8分鐘充滿80%，這款電池將搭載在AionV上。
 
       負(fù)極材料是充電倍率突破的重要方向，寧德時代在2019年曾對外宣稱正在研發(fā)一種新的磷酸鐵鋰電池技術(shù)，在負(fù)極石墨的表面利用“快離子環(huán)”技術(shù)讓石墨結(jié)構(gòu)兼具超級快充和高能量密度的特性，石墨層增加鋰離子嵌入速度后可以達(dá)到4C-5C的超級快充能力，相當(dāng)于15分鐘完成主要的充電過程；蜂巢能源在今年的上海車展上推出負(fù)極表面改性技術(shù)，采用液相包覆技術(shù)在石墨表面包覆無定形碳，降低阻抗，提升鋰離子的通道。
 
       電解液也需要較高導(dǎo)電率，并且不與正負(fù)極反應(yīng)，能抗高溫、阻燃、防過充。寧德時代引入了擁有超強(qiáng)運(yùn)輸能力的超導(dǎo)電解液，提升鋰離子在液相和界面的傳輸速度，通過調(diào)控極片多孔結(jié)構(gòu)的梯度分布，實(shí)現(xiàn)上層高孔隙率結(jié)構(gòu)，下層高壓實(shí)密度結(jié)構(gòu)等。蜂巢能源采用含硫添加劑/鋰鹽添加劑等低阻抗添加劑體系電解液，降低正負(fù)極界面成膜阻抗，較高的鋰鹽濃度可以保證電解液較高的電導(dǎo)率。
 
       在材料之外，還可以改善生產(chǎn)工藝來提高電池倍率性能，比如制備更均勻的漿料，提高涂布一致性可以使電極形成更均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，為離子傳輸提供快速通道。另外，將電極做薄也有助于提高脫嵌鋰的速率，但矛盾的是，厚電極更有利于提高能量密度。因此，在目前的技術(shù)基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)快速充電，勢必犧牲一定的能量密度，Taycan的電池系統(tǒng)能量密度約為148Wh/kg，作為對比，根據(jù)工信部的《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》，我國2019年申報(bào)數(shù)量最多的車型能量密度集中在160Wh/kg，2020年申報(bào)數(shù)量最多的車型能量密度集中在160-170Wh/kg之間，從某個角度來說，由于能量密度下降，Taycan車重增加了40多千克。
 
       另外，說一句題外話，電池系統(tǒng)能量密度降低后，對于整車來說，更高的電壓意味著更小的電流和更輕的線纜重量（Taycan的銅線減重4kg），在這個層面上來說，800V有助于整車減重。
 
       模組/pack層面
 
       我們知道單個鋰離子電池的電壓只有3-4V，電池串聯(lián)后增大電壓，并聯(lián)后增大電流，因此為實(shí)現(xiàn)幾百伏的系統(tǒng)電壓，需要將電池進(jìn)行串聯(lián)，400V電壓需要約一百個電芯串聯(lián)，例如特斯拉Model 3短續(xù)航版的電芯總數(shù)為4416個，串聯(lián)數(shù)為96；而800V則需要約200個電芯串聯(lián)，保時捷Taycan的電池包總共包含396個電芯，串聯(lián)數(shù)為198。

       保時捷Taycan的串并聯(lián)方式 

 

       保時捷Taycan是全球第一款量產(chǎn)的電壓平臺為800V的車型，其最高充電功率為350kW，電池包總重630kg，采用三元體系，總電量為93.4kWh，額定電壓為723V，包含396個三元軟包電芯，每個電芯的標(biāo)稱電壓為3.65V，容量為66Ah；每12個電芯以6s2p的形式組成一個模組，模組電壓為22V，容量為132Ah，396個電芯共組成33個模組。
             
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單個模組串并聯(lián)方式
 
       上述33個模組串聯(lián)，被分成兩層放置，下層包含30個，上層包含另外3個，800A保險絲串聯(lián)在18號模組和19號模組之間。在發(fā)生短路電流的情況下，將會中斷高壓蓄電池的供電，以保證電池安全。
 
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Taycan的電池箱體結(jié)構(gòu)
 
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下層模組的連接方式
 
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上層模組的連接方式

       串?dāng)?shù)增加，對電芯一致性要求提高
 
       一致性，指的是用于成組的單體電芯的初期性能指標(biāo)的一致，包括容量、阻抗、電極的電氣特性、電氣連接、溫度特性、衰變速度等，如果電芯之間一致性存在差異，將影響整個電池組的性能。
 
       從上面的分析可以看出，800V高壓架構(gòu)的Taycan的電池采用的是198s2p的連接方式，串聯(lián)數(shù)為198個，較400V系統(tǒng)增加了一倍。對于串聯(lián)回路，在充放電時流過的電流是一樣的，因?yàn)殡娦緝?nèi)阻的差異，單體電芯表現(xiàn)的電壓不同。內(nèi)阻比較大的電池在充電時會提前充滿或優(yōu)先到達(dá)上限電壓，放電時則會提前到達(dá)下限電壓，為了避免過充過放，電池管理系統(tǒng)就會截止充放電，而此刻其他電芯還未充滿或充分發(fā)揮容量，從而導(dǎo)致電池容量的浪費(fèi)。內(nèi)阻高的電芯完全充放電的頻率更高，使其衰減更快，久而久之，這顆電芯就更可能發(fā)生失效或安全故障。串?dāng)?shù)越多，電芯產(chǎn)生問題的概率就越高，對于電芯一致性的要求也相應(yīng)提高。
 
       目前，改進(jìn)電池一致性的方法主要有：（1）極限制造：在生產(chǎn)過程中控制原材料的一致性、改良工藝過程及參數(shù)等，例如寧德時代就將極限制造創(chuàng)新列為自己的四大創(chuàng)新體系之一，將產(chǎn)品缺陷率由ppm級做到ppb級；（2）電池下線后即對電池進(jìn)行篩選，選擇同一批次性能相近的電池成組；（3）電池管理方面：在使用過程實(shí)時監(jiān)控，優(yōu)化電池的充放電、熱管理等等，這個我們后面會講。

       電池?zé)峁芾?/span>
 
       為進(jìn)行對比，我們假設(shè)存在電壓為400V的電芯，將其分別組成電量相同，電壓分別為400V和800V的電池包，則其串并聯(lián)方式如下圖：
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       目前國內(nèi)充電樁支持的最大電流為250A，未來可達(dá)500A，若電流過大，將導(dǎo)致充電電纜過粗過重，給使用帶來不便。因此，在外部輸入電流一樣的情況下，由于并聯(lián)分流，流過800V系統(tǒng)單個電芯的電流將大于400V系統(tǒng)，相應(yīng)的800V系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量也更大，對于熱管理的要求越高。
 
       我們來看一下Taycan的熱管理，水冷板分別在電池箱體下側(cè)，可有效隔絕冷卻液與模組，提高電池安全性。由于模組分布在兩層，其水冷系統(tǒng)也分為上下兩層，共13個冷卻支路，每個冷卻支路有兩根水冷管并聯(lián)，水冷管采用口琴管的方案，每根水冷管有10個并聯(lián)通道。
 
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Taycan水冷管截面
 
       電池的液冷系統(tǒng)與整車的冷卻系統(tǒng)是交互的，動力電池將熱量傳遞給水冷板中的冷卻液，冷卻液再將熱量通過熱交換器傳遞給整車的冷卻系統(tǒng)，最后將熱量排放到空氣中。
 
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Taycan的熱管理系統(tǒng)
 
       熱安全方面，由于快充過程中產(chǎn)熱量大，熱失控的風(fēng)險增加，因此需要進(jìn)行有效的監(jiān)控與預(yù)警，電池包的結(jié)構(gòu)選材方面也要優(yōu)化改進(jìn)。
 
       此外，800V高壓快充技術(shù)對熱管理的要求還體現(xiàn)在電池散熱與升溫之間的平衡：
 
       一方面，由于通過單個電芯的電流更大，導(dǎo)致電芯產(chǎn)熱更多——溫度升高——加劇電芯老化/產(chǎn)生安全隱患——波及其他電芯甚至整車。另一方面，低溫環(huán)境并不利于快充，熱管理系統(tǒng)需要將即將進(jìn)行快充的電池的溫度適當(dāng)提高，例如，Taycan電芯進(jìn)行快充的最適宜溫度為30℃，所以，車主如需要進(jìn)行大功率快充，那么整車會事先將電芯溫度調(diào)整到30℃，如果在充電時還沒有達(dá)到這個溫度或是車主沒有事先設(shè)置進(jìn)行加熱，Taycan會首先將電芯加熱到30℃，然后才允許大功率充電。

       BMS
 
       BMS對電池進(jìn)行監(jiān)控和管理，是動力電池系統(tǒng)的大腦。一般來說，BMS由一個主控單元和多個從控單元組成，從控單元直接連接動力電池，主控單元通過CAN總線或菊花鏈通信等方式管理多個從控單元。
 
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BMS架構(gòu)
 
       上文我們提到，一個電池包中的電芯要盡量保持在一致的狀態(tài)，BMS具有均衡管理的功能，即根據(jù)電芯信息，采取主動或被動的方式，盡可能均衡各電芯的荷電狀態(tài)。BMS有兩種均衡方式：主動均衡和被動均衡，主動均衡是將電量由SOC高的電池轉(zhuǎn)移到低的電池中，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且成本高；被動均衡是將SOC高的電池的電量通過并聯(lián)電阻消耗掉，這種方式結(jié)構(gòu)簡單且成本低，但是會造成能量浪費(fèi)，目前采用較多的是被動均衡。BMS需要考慮電池自放電、均衡時間、散熱等因素，來管理電池狀態(tài)，使其保持一致，上文提到，串?dāng)?shù)增多，電池一致性要求也提高，同樣的，對BMS的均衡能力要求也要提高。
 
       再有就是， BMS中存在高壓電路和低壓電路，高低壓電路之間的通信需要使用通信隔離芯片，電池包電池達(dá)800V后，這種耐高壓的隔離芯片要重新選型，選擇汽車級加強(qiáng)隔離的芯片。
 
       除上述內(nèi)容外，由于電壓電流的變化，電池包內(nèi)相關(guān)元器件、連接件等也需要重新選型，在此不再贅述。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池 800V高壓系統(tǒng)
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