電芯-電池模組-電池Pack

動力電池是電動汽車最關鍵的核心部件。動力電池易燃易爆，其安全性直接影響電動汽車產業的成敗。動力電池占整車成本40%，車企大佬們公開叫屈：整車廠在為動力電池打工。苗圩談道：成本降至100美元/kWh，電動汽車才能真正和燃油車競爭。

動力電池是一個泛泛的概念。具體來說，安裝到電動汽車上的動力電池，一般稱為電池Pack（電池包）。在有些商用車上，電池Pack是很粗獷的一種形態，請看下圖，電池Pack就直接露在外面了。但是，在多數車型上，電池Pack是被底盤包裹了，并不能一眼就能看出Pack長成什么樣子。

電池Pack由BMS、BDU、電池模組（電池模塊）、電氣系統、熱管理系統、線束、箱體、殼體等組成。如下圖2、圖3分別是某電池Pack的解剖圖和爆炸圖。

圖2.電池Pack實物解剖圖

電池模組由電芯串、并聯組成。 電池Pack，電池模組，電芯形成一組概念。

摘錄網絡上的一些描述：

電芯（Cell）：組成電池組和電池包的最基本的元素，一般能提供的電壓是3v-4v之間；

電池組（Batteries）：由多個單體集合，構成一個單一的物理模塊，提供更高的電壓和容量；

電池包（Pack）：一般是由多個電池組集合而成的，同時，還加入了電池管理系統（bms）等，也就是電池廠最后提供給用戶的產品。

電芯是構成動力電池的基本單元，一般是指鋰離子電池。鋰離子電池電壓為3.2V- 4.2V，容量通常為 1200mAh-3000mAh，常見容量為 2200mAh- 2600mAh。電芯在工作的過程中會發熱膨脹，在設計電池包的時候需要把這個因素考慮進去。電芯的工作溫度對電池影響也很大，目前一般都是要求電芯可以在-40℃~60℃正常工作。

從封裝結構和材料上來命名，電芯分為圓柱形電芯、方形電芯和軟包電芯 。圓柱形電芯主要有18650、4695和46110。18650 是鋰離子電池的鼻祖日本 SONY 定下的一種標準的鋰離子電池型號，其中 18 表示直徑為 18mm，65 表示長度為 65mm，0 表示為圓柱形 電池。方形電芯方方正正很規則，目前動力電池領域方形電芯占據主導地位。方形電芯的外部材料一般是鋁殼。軟包電芯一般比較輕薄。軟包電芯的最外殼是鋁塑膜（67~151μm），非常薄，柔性可變。軟包電芯的封住技術要求很高，同時軟包電芯可以做成異型的，比如做成L型或者帶有曲面形狀甚至是臺階電芯等。

圖4.鋰離子電池示意圖

由于一個電池包由成千上萬個電芯組成，為了便于管理，電芯首先聯結并放入框架中，從而形成 電池模組 （電池模塊）。電池模組可以在熱和振動等外部沖擊中保護多個電芯。電池模組由多個電芯進行串聯和并聯后集成。將多個電芯跟框架結構、電池連接系統、絕緣組件等各種零部件連接組裝到一起，再做上種種檢測，根據市場需求的不同，會組裝成不同的電池模組。在電池的組裝過程中，模組可以對電芯起到支撐、固定和保護作用，所以其設計要求需要滿足機械強度、電性能、散熱性能、故障處理能力四個方面的要求。這些也是評判電池模組優劣的標準。電池模組是介于電芯單體與電池包的中間儲能單元，它通過將多個電芯串并聯，再加上起到匯集電流、收集數據、固定保護電芯等作用的輔助結構件形成模塊化電池組。

在關于模組的業內討論，常會看到類似2P24S這樣的表達，這里P指的是并聯（Parallel Connection），S指的是串聯（Series Connection）。把2組各由24個電芯串聯而成的小單元并聯起來，得到的就是共包含48個電芯的2P24S模組。

將多個電池模塊進行串并聯，再加上用來管理電池溫度或電壓等的電池管理系統和冷卻設備等，就組成了電池包。采用這種方式，將多個電芯成一個電池包的形態后裝入電動汽車。例如電動汽車(EV) BMW i3的電池。BMW i3共搭載96個電芯，其中12個電芯組成一個模塊，因此共由8個模塊組成一個電池包。

在網絡上流傳過一篇拆解特斯拉 Model S 電池的過程，圖文并茂。特斯拉 Model S 的電池板由 16 組電池組串聯而成，每組電池組由 6 組電池包串聯組成，每組電池包由 74 節 18650 電芯并聯組成，也就是說，每個電池組由 444 節 18650電芯組成，整個 Model S 的電池組板共有 7104 節 18650 電芯組成，它們是 74 節并聯，96 節串聯。

CTM-CTP-CTB-CTC

將電芯集成為Pack有不同的集成方式，所謂CTM、CTP、CTB、CTC。這方面的創新正是當前的熱點。

如前一節所述，電芯是動力電池的最小單位，也是電能存儲單元。當多個電芯被同一個外殼框架封裝在一起，并通過統一的邊界與外部進行聯系時，這就組成了一個模組。在往后，當數個模組被BMS和熱管理系統共同控制或管理起來后，這個統一的整體就叫做電池包。 將電芯組裝成電池包的過程中，電池能量密度的損失通常為30%左右。對于續航存在嚴重不足的電動汽車而言，這樣的損失顯然是有點大的，因此，不少相關企業在開發CTP、CTB、CTC技術。但是當前商用的主流還是CTM模式。

CTM（Cell to Module） ：最開始的新能源產業，希望將電芯標準化，進而利用規?；档统杀?，但是各種車型需求不同，電池廠家的電芯尺寸也難以統一，后來退而求其次，將電池系統標準化轉向了模組。過去幾年電池系統集成化的重點就是不斷提升標準化電池模組的尺寸，例如比較典型的590模組等。

圖7.CTM集成模式—當前主流的動力電池形態

CTP（Cell to Pack） ：CTP跳過了標準化模組環節，直接將電芯集成在電池包上，有效提升了電池包的空間利用率和能量密度。該集成方式最早由寧德時代在 2019年提出，此后比亞迪、蜂巢能源等陸續發布了各自的 CTP 方案，其中比較具有代表性的是比亞迪的"刀片"電池，它將單個電芯通過陣列的方式排布在一起形成陣列，然后像“刀片”一樣插入到電池包里，這也是大家稱之為“刀片電池”的原因。 另外一個在強調CTP路線是寧德時代，最早于2019年提出CTP的概念，到2022年6月才進化到第三代CTP，并正式命名為麒麟電池。一代的體積利用率55%，三代是72%，能量密度可達255Wh/kg。

CTB（Cell to Body）/CTC（Cell to Chassis） : CTB(Cell to Body)技術這個詞來自于比亞迪海豹的發布會。比亞迪CTB技術的方案是取消車身底板，將電池包的上蓋和車身底板相連接。

圖9.CTB集成模式

特斯拉將此技術命名為Structural Battery，也是取消了車身底板，把電池上蓋直接懟上去。與比亞迪CTB不同的是，比亞迪座椅還是固定在車身橫梁上，而特斯拉直接固定在電池蓋上。

將電芯直接集成于車輛底盤的工藝。它進一步加深了電池系統與電動車動力系統、底盤的集成， 減少零部件數量，節省空間，提高結構效率，并且大幅度降低車重，增加電池續航里程，被認為是下一個階段決定新能源汽車競爭勝負的關鍵核心技術。說的簡單一點，CTC電池底盤一體化技術就是將電芯集成到底盤中，讓其成為車輛底盤中的一部分。不僅要電池重新排布，還要納入電驅電控系統，使得電池、電機、電控、車載充電機、底盤高度集成，通過智能化動力域控制器，優化動力分配、降低能耗。這對于整個制造鏈要求極高，要求主機廠、電池供應商等必須具備多項跨域的能力：車企大多要有具備電芯設計、三電系統高度集成的能力，電池企業需要在電機、底盤設計等板塊布局。目前國內的零跑以及海外的特斯拉都已率先公布CTC方案，比亞迪、寧德時代等都在加速布局。

CTC技術除了能間接降低車身重量，提高電池包空間利用率這些好處外。關鍵又能和利益扯上關系，因為一體化集成，減少了大量的焊接（連接）工序，從而提高了生產效率，減少了中間的機器人，這就能降低成本。據特斯拉的相關數據，CTC一體化壓鑄，可節省370個零件，車重下降10%，電池結構體積-10%。不過本來圓柱體的電芯在成組的空間利用率上就比不過方形電芯（圓柱疊加圓柱，之間不可避免有多處空隙），設計好的方形電芯成組的空間利用率可以達到80%以上，而4680（圓柱體）+CTC的成組空間利用率大概只有70%以上。但集成度高的CTC也有弊端，類比特斯拉，電池和底盤集成一起，一旦電池有問題了，就是要動底盤了，對動力電池售后的維護/維修就不是很友好了。

鋰離子電池-固態電池-納離子電池 ****

動力電池是鋰離子電池，是二次電池。電芯由正極（金屬鋰化物，金屬為鈷、鎳、錳、鐵等）、負極（碳）、電解液（鋰鹽、有機溶劑碳酸亞乙酯等）組成。按照正極材料來命名不同種類的鋰離子電子。當前主流是兩種，分別是** 三元鋰電池**和 磷酸鐵鋰電池。 常見的幾種正極材料差異及特征如下表所示：

電芯是所謂的“三明治”結構，如圖11所示，以兩種方式呈現了鋰離子電芯的結構。

1. 正極：薄鋁箔集流體上涂有正極活性物質，并加入了導電劑，用黏合劑固定。
2. 負極：薄銅箔集流體上涂有負極活性物質，并加入了導電劑，用黏合劑固定。
3. 將吸收了電解液的多孔高分子材料隔膜，像三明治一樣夾在兩個電極中間，整體為3層隔膜狀結構。

3層膜的厚度加在一起不超過幾百微米。為了減少極板之間的電阻，電極采用大面積的隔膜狀結構，卷成方形 和圓柱形等不同形狀。

圖11.鋰離子電芯的結構

和傳統的鉛酸蓄電池和鎳氫電池相比，鋰電池最大的特點是能量密度高，也非常危險。鋰離子電池的能量密度是鉛酸蓄電池的4-5倍，是鎳氫電池的2倍左右，主要原因是:

1. 電動勢較高。
2. 使用質量小的元素——鋰。
3. 采用隔膜狀高密度封裝結構。

由于電動勢較高，如果使用傳統的水性電解液，電解液就會被電解，需要使用有機電解液，有利于使兩極的電位差保持穩定，但是，有機電解液具有可燃性，當溫度超過150度時，在很多情況下，鋰離子電池變得非常危險。如果過放電，鋰離子過多地聚集在正極，內阻增大，電池發熱，導致急劇劣化，也會很危險。在沒有燃燒時，電池存儲的能量，18650型3Ah電芯的能量為12W和，17個電芯就相當于1個M26手榴彈。一旦起火，能量會變大好幾倍。

當工作環境溫度超過60度時，保存劣化、周期劣化加速，長時間存放將導致電池壽命急劇減小。溫度上升到100度時，負極產生二氧化碳氣體，排氣閥動作或液體泄漏的危險性加大。在120度左右，電池隔膜溶解，自動關斷效果會暫時抑制溫度繼續上升，但是，到了150度左右時，電池隔膜的自動關斷效果開始減弱，受熱劇增。在180度左右，正極開始分解，產生氧氣，若受熱劇增，將進入熱失控，電池發生爆炸。

引起熱失控的外部原因主要是火災、電路發熱、日照等，內部原因包括低溫形成枝晶與內部短路，過充電，過放電，過電流，浸水導致的過放電，沖擊導致的內部短路，外部短路造成的過流等。

將有機電解液更換成電解材料，做成高能量密度的全固態電池是具有非常廣闊的應用前景。 電解材料的導電率比液體低，是業界正在解決的難題。有多家宣稱是開發出來。

鈉離子電池是一種新型的二次電池，正極材料可以是氧化物、普魯士藍類化合物等，負極材料通常是金屬鈉。電解質一般采用有機電解質或液態電解質，用于傳遞鈉離子。與傳統的鋰離子電池相比，它具有更高的安全性和更低的成本。鈉電池的原理與鋰離子電池類似，都是通過鈉離子或鋰離子的遷移來實現電池的充放電過程。納電池的優點：

1. 成本低。

鈉資源豐富，價格低廉，可以大大降低電池的成本，可以廣泛應用于電動汽車、儲能系統等領域，可以作為可再生能源儲存和調節的重要手段，有助于實現能源的可持續發展。

2. 安全性高。

理論上比磷酸要更安全，不容易起火。低溫和高溫都優于一般磷酸鐵鋰和三元鋰。

3. 循環次數高。

鈉離子電池的循環次數和磷酸鐵鋰電池接近，大幅超過三元鋰電池，能達到3000次左右。鋰離子電池的循環次數只有1500次左右。

4. 易規模化生產。

由于鈉離子和鋰離子的化學性質相似，因此鈉電池可以借鑒鋰離子電池的技術和生產工藝，易于實現規?；a。

5. 壽命長。

鈉離子半徑大于鋰離子，因此在充放電過程中可以更好地嵌入到電極材料中，提高了電極的容量和壽命。

納電池的缺點：

1. 能量密度低。

磷酸釩鈉，壓實密度比較低，能解決長循環，但能量密度偏低。層狀氧化物還有一定的改善空間。單位質量下鈉離子能夠提供的活躍電子數量比鋰離子少很多，所以能量密度肯定比鋰離子低很多，鈉電池單位質量下的能量大約只有鋰電池的50%-60%。

2. 硬碳有區別于石墨，大電流充電時，鈉離子并不容易全部進入硬碳內部，而在負極硬碳表面。壓實密度也還有一定的改善空間，目前壓實0.9-1.0之間。（這點沒完全理解。）
3. 電解液匹配問題，對體系產氣消除問題。目前小批量生產的企業基本還是圓柱電池。
4. 線性太陡，電壓平臺低 導致同樣容量能量更低，而且會電壓變化大。

動力電池和充電系統的總大腦：BMS

BMS是Battery Management System的簡寫，意為“電池管理系統”，是動力電池和充電系統的總大腦。BMS的基本功能，有很多種總結，不同專家的角度不一樣。摘錄下來是有意義的。

在上一篇文章中，我引用了一種BMS功能的描述：

BMS 通過測量，獲取電池的工作狀態，并把這種狀態顯示出來。緊急情況下，利用聲光手段來提醒使用者，使得電池工作在“合理區域”，從而延長電池的使用壽命。危險情況下，自動采取措施，避免事故的發生。另外，為電池提供能量均衡功能，提高電池的“有效儲能”，進而延長放電時間。在充電過程中，BMS是充電系統的“總大腦”。

在《先進電動汽車技術》一書中，對BMS功能的總結如下：

如圖12所示，電池管理系統的功能主要包括數據采集、數據顯示、狀態估計、熱管理、數據通信、安全管理、能量管理和故障診斷。其中前六項為電池管理系統的基本功能。能量管理功能中包括了電池能量均衡的功能。

圖12.BMS功能定義之一

在《熱失控的機制與預防方法——安全對策與意外處置方法》一文中，對BMS功能描述如下：

BMS基本功能是監視、保護、測量、通信、診斷。如圖13：

圖13.BMS功能定義之二

在《電動汽車電池管理系統設計》一書中，譚老師對BMS梳理得更加詳細。我個人是更喜歡譚老師的這個版本。

圖14.BMS功能定義之三

BMS實現這些功能的硬件基礎是電壓采樣、電流采樣和溫度采樣。一個電池包的BMS要對每個電芯的電壓、電流和溫度進行采樣。采樣的準確度以及上千個采樣結果的通信和數據處理，是BMS硬件的核心技術。此外，對電池進行建模，對剩余電量的估算是軟件算法上的核心技術。

BMS是電池的大腦。在充電過程中，充電樁的大腦和電池的大腦之間進行通信，但充電樁必須無條件接受來自電池的停止充電指令。這是最高指令。因此，我們說，BMS也是整個充電系統的“大腦”。