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800V高壓系統對電池的影響

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(250 A電流)可以達到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高壓未來能達到300-500 kW的充電功率，只需幾分鐘就能迅速補能，可以媲美燃油車的補能速度。
 

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       充電時間的減少在給消費者帶來更好體驗的同時也給電池帶來了考驗，電池的充電速度主要取決于鋰離子的脫嵌和遷移速率，當采用800V電壓平臺后，充電倍率最大可達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入正負極，只能形成一些副產物，導致活性物質損失，加速電池壽命衰減。且動力電池在快充條件下，析鋰現象加劇，一方面將造成活性物質的損失，影響電池容量和壽命；另一方面，鋰枝晶一旦刺穿隔膜，將導致電池內部短路，造成起火等安全風險。
 
       為解決上述問題，業界針對電池各組分做出了大量努力：
 
       正極材料方面，最新的亮點技術有蜂巢能源的前驅體定向生長精準控制技術，通過控制前驅體合成參數，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，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構，它能很好地與三元正極分子結合，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一種新的磷酸鐵鋰電池技術，在負極石墨的表面利用“快離子環”技術讓石墨結構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到4C-5C的超級快充能力，相當于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極表面改性技術，采用液相包覆技術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電率，并且不與正負極反應，能抗高溫、阻燃、防過充。寧德時代引入了擁有超強運輸能力的超導電解液，提升鋰離子在液相和界面的傳輸速度，通過調控極片多孔結構的梯度分布，實現上層高孔隙率結構，下層高壓實密度結構等。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率。
 
       在材料之外，還可以改善生產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電網絡，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，在目前的技術基礎上，為實現快速充電，勢必犧牲一定的能量密度，Taycan的電池系統能量密度約為148Wh/kg，作為對比，根據工信部的《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》，我國2019年申報數量最多的車型能量密度集中在160Wh/kg，2020年申報數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，電池串聯后增大電壓，并聯后增大電流，因此為實現幾百伏的系統電壓，需要將電池進行串聯，400V電壓需要約一百個電芯串聯，例如特斯拉Model 3短續航版的電芯總數為4416個，串聯數為96；而800V則需要約200個電芯串聯，保時捷Taycan的電池包總共包含396個電芯，串聯數為198。

       保時捷Taycan的串并聯方式 

 

       保時捷Taycan是全球第一款量產的電壓平臺為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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單個模組串并聯方式
 
       上述33個模組串聯，被分成兩層放置，下層包含30個，上層包含另外3個，800A保險絲串聯在18號模組和19號模組之間。在發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的電池箱體結構
 
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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

       串數增加，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高壓架構的Taycan的電池采用的是198s2p的連接方式，串聯數為198個，較400V系統增加了一倍。對于串聯回路，在充放電時流過的電流是一樣的，因為電芯內阻的差異，單體電芯表現的電壓不同。內阻比較大的電池在充電時會提前充滿或優先到達上限電壓，放電時則會提前到達下限電壓，為了避免過充過放，電池管理系統就會截止充放電，而此刻其他電芯還未充滿或充分發揮容量，從而導致電池容量的浪費。內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生失效或安全故障。串數越多，電芯產生問題的概率就越高，對于電芯一致性的要求也相應提高。
 
       目前，改進電池一致性的方法主要有：（1）極限制造：在生產過程中控制原材料的一致性、改良工藝過程及參數等，例如寧德時代就將極限制造創新列為自己的四大創新體系之一，將產品缺陷率由ppm級做到ppb級；（2）電池下線后即對電池進行篩選，選擇同一批次性能相近的電池成組；（3）電池管理方面：在使用過程實時監控，優化電池的充放電、熱管理等等，這個我們后面會講。

       電池熱管理
 
       為進行對比，我們假設存在電壓為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，則其串并聯方式如下圖：
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       目前國內充電樁支持的最大電流為250A，未來可達500A，若電流過大，將導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，由于并聯分流，流過800V系統單個電芯的電流將大于400V系統，相應的800V系統產生的熱量也更大，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，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，水冷管采用口琴管的方案，每根水冷管有10個并聯通道。
 
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Taycan水冷管截面
 
       電池的液冷系統與整車的冷卻系統是交互的，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，最后將熱量排放到空氣中。
 
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Taycan的熱管理系統
 
       熱安全方面，由于快充過程中產熱量大，熱失控的風險增加，因此需要進行有效的監控與預警，電池包的結構選材方面也要優化改進。
 
       此外，800V高壓快充技術對熱管理的要求還體現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，導致電芯產熱更多——溫度升高——加劇電芯老化/產生安全隱患——波及其他電芯甚至整車。另一方面，低溫環境并不利于快充，熱管理系統需要將即將進行快充的電池的溫度適當提高，例如，Taycan電芯進行快充的最適宜溫度為30℃，所以，車主如需要進行大功率快充，那么整車會事先將電芯溫度調整到30℃，如果在充電時還沒有達到這個溫度或是車主沒有事先設置進行加熱，Taycan會首先將電芯加熱到30℃，然后才允許大功率充電。

       BMS
 
       BMS對電池進行監控和管理，是動力電池系統的大腦。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
 
       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，BMS具有均衡管理的功能，即根據電芯信息，采取主動或被動的方式，盡可能均衡各電芯的荷電狀態。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高的電池轉移到低的電池中，結構較為復雜且成本高；被動均衡是將SOC高的電池的電量通過并聯電阻消耗掉，這種方式結構簡單且成本低，但是會造成能量浪費，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，使其保持一致，上文提到，串數增多，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800V后，這種耐高壓的隔離芯片要重新選型，選擇汽車級加強隔離的芯片。
 
       除上述內容外，由于電壓電流的變化，電池包內相關元器件、連接件等也需要重新選型，在此不再贅述。
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 電池 800V高壓系統
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