燃擎公开课:电芯封装很多门道,立式和卧式布局更是区别很大

如题所述

动力电池作为新能源车的动力来源,在大家购车的过程中一直是备受关注的重点。而在大家的普遍认知里,关心动力电池只需要关注电池的种类即可,其实在电池包内,还有着更为基本的单元——电芯。

电芯是指单个含有正、负极的电化学电芯,一般不直接使用,是动力电池的最小单位,也是电能的存储单元。区别于电池含有保护电路和外壳,可以直接使用。
电芯封装
目前主流的电芯封装方式主要有方形电芯、软包电芯和圆柱形电芯三种,其中方形电芯和圆柱形电芯又统称为硬壳电芯。
硬壳封装的优点主要是成组结构相对简单,散热较好,但是单体电芯能量密度没有软包高。软包的优点则是电芯能量密度高,但因为机械强度差,成组结构复杂,散热设计不易,且不好设计防爆装置。

圆柱形电芯通常将正负极与隔膜卷绕到负极柱上,以钢壳或铝壳进行封装,之后注入电解液,再封口。
圆柱形电芯拥有着最悠久的商业化历史和最大规模的商业运用,可以说各个领域都能见到它们的身影。因此工艺成熟,良品率和一致性高。
目前圆柱形电芯主要以磷酸铁锂为主导,其容量高、输出电压高且稳定、充放电循环安全性能优异且能大电流量放电。

此外,得益于圆柱形电芯本身的外形优势,其也拥有着更好的内压承受力。
最后,因为每一个电芯的体积小,所以电池组的散热面积大,成组后拥有着优良的散热性能。
但是圆柱形电芯的缺点也是因为电芯小,所以成组的工艺复杂,相对的系统能量密度较之另外两种电芯类型就要低一些。

而且,较小的电芯体积也反映到最终的电池包组装上。动辄一个电池包就是几千个电芯,这几千个电芯密密麻麻摆放在一起组成的方阵,势必会产生较大的空隙,极大的降低了空间利用率。
硬壳电芯的另外一种类型,方形电芯也是很常用的。得益于其各方面均衡的性能,方形电芯也有着“六边形战士”之称。
方形电芯通常采用钢壳或铝壳作为壳体,具有散热性好,封装可靠度高,循环寿命长等优点。

而且,在成组效率上,方形电芯有着天然的优势。方形电芯本身方方正正的外形,使得每一块电芯能够紧密排列,有效提高了电池包的空间利用率,因此能量密度也更高,结构紧凑,不易受外力的破坏。
此外方形电芯的外壳可以根据车型的需求实现定制化设计,具有很高的灵活性,因此在目前的新能源车市场上得到了广泛的应用。不过这也导致了方形电芯的型号众多,无论是制造工艺还是应用标准,并没有像圆柱形电芯那样形成明确的标准划分。

最后,让我们聚焦到软包电芯。软包电芯的基本结构与圆柱形和方形电芯类似,只是软包电芯的外壳是铝塑膜且没有顶盖。但是,由于我国在动力领域铝塑膜国产化率较低,所以成本较高。
此外,软包电芯还存在一致性差、标准化程度低、生产效率低、成组效率低、容易漏液和壳体机械强度低等缺点。因此软包电芯在国内也很少作为汽车的动力电池,而是主要应用在3C数码上。
当然软包电芯能在市场上存在,肯定有其特有的优点。
首先便是软包电芯的尺寸和体积灵活多变,可根据不同车型空间、底盘需求进行定制,为未来纯电动汽车整车布局和结构设计提供了方便。

此外软包电芯安全性好。由于软包电芯在结构上采用铝塑膜包装,发生安全问题时,软包电芯一般只会鼓气裂开,而不像钢壳或铝壳电芯那样会发生爆炸。
总之,系统性能与单体性能是不完全一致的,需要具体应用到车型上才能够给出最为客观的评价。
电芯布局
讲解完我们的电芯封装方式,下面我们再来了解一下关于电芯的另一重要内容——电芯的布局。
目前电芯的布局方式主要分为立式和卧式两种。电芯立式布局主要应用在圆柱形电芯的电池包上。而卧式布局则在方形电芯的电池包上应用更广。

由于圆柱形电芯自身形状的原因,如果将圆柱形电芯放倒,不仅要考虑电芯之间的固定问题,还要考虑对电池包外壳的加固。这无疑是一个得不偿失,赔本的买卖。因此圆柱形电芯多采用立式布局。
但立式电芯布局也有自身的劣势。该种布局方式是将电芯放置在刚性框架的电池包里,随着电芯的老化膨胀,受力条件将会急剧恶化,电芯只能在有限的空间内承担更大的压紧力。

而与目前市场上使用的立式电芯布局不同,卧式电芯在结构方面采用的是“躺式”结构。这种布局的电池内电解液不易流出,而且电极板与电解液可以更充分的接触,延长了电芯的寿命。
但卧式电芯在研发方面也有一个巨大的难题。电芯之间会有结构胶起到减震缓冲的作用。但结构胶会随着电芯膨胀以及压板的相应变形,面临苛刻的受力工况,同时需要匹配电芯超长的生命周期,这对结构胶的性能提出了巨大的挑战。
写在最后
从数据上看,在动力电池的装机量中,方形电芯才是毫无疑问的“霸主”。虽然说圆柱形和软包电芯均有车型搭载,并且不同的封装形式并没有好坏之分,但是方形电芯的地位,短时间内是不可撼动的。而至于两种电芯布局形式,卧式布局随着方形电芯的强力表现,在目前的市场上显然更受欢迎。
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