動(dòng)力電池是新能源整車(chē)的動(dòng)力來(lái)源。動(dòng)力電池主要分為 電池包、模組、電芯。

下圖是動(dòng)力電池在整車(chē)上的布置關(guān)系圖

1 電池包

電池包一般是由電池模組、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電氣系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)件組成。

2 模組

電池模組可以理解為鋰離子電芯經(jīng)串并聯(lián)方式組合，加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置后形成的電芯與pack的中間產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)必須對(duì)電芯起到支撐、固定和保護(hù)作用。其基本組成包括：模組控制(常說(shuō)的BMS從板)，電池單體，導(dǎo)電連接件，塑料框架，冷板，冷卻管道，兩端的壓板以及一套將這些構(gòu)件組合到一起的緊固件。其中兩端的壓板除了起到聚攏單體電芯，提供一定壓力的作用以外，往往還將模組在電池包中的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在上面。

模組的設(shè)計(jì)是為了方便BMS進(jìn)行電芯管理，提高電池安全性，便于維護(hù)維修。就像一個(gè)國(guó)家需要分成若干省份為了方便統(tǒng)治治理的道理一樣。

模組組成如下圖。

3 電芯

電芯主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成。主要工作原理是靠鋰離子的在正極和負(fù)極之間的遷移實(shí)現(xiàn)充電和放電。充電過(guò)程需要外界能量，即電網(wǎng)電能，相當(dāng)于把電網(wǎng)的電能儲(chǔ)存在電池中；放電過(guò)程可自發(fā)完成，這個(gè)過(guò)程將儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)。

鋰電車(chē)電池根據(jù)材料體系主要分為三類(lèi)：錳酸鋰、三元材料鋰電池、鋰酸亞鐵鋰。這三類(lèi)電池性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，在市場(chǎng)當(dāng)中也有著不同的應(yīng)用。 三類(lèi)鋰電池材料特性對(duì)比，錳酸鋰價(jià)格最低。

從上述表格中可以看到，錳酸鋰材料價(jià)格最低，每噸5-6萬(wàn)元，相應(yīng)的電池循環(huán)壽命次數(shù)、儲(chǔ)存性能的表現(xiàn)也是最一般的，分別是≥300次，月衰減5%以上。三元材料鋰電池材料價(jià)格每噸16-20萬(wàn)元，儲(chǔ)存性能表現(xiàn)最好，月衰減1-2%，電池循環(huán)壽命≥600次。鋰酸亞鐵鋰材料價(jià)格每噸15-18萬(wàn)元，電池循環(huán)壽命表現(xiàn)最好≥1500次，儲(chǔ)存性能在三者當(dāng)中表現(xiàn)中等，月衰減3%。

上表中提到的數(shù)值是三類(lèi)鋰電表現(xiàn)的硬性參數(shù)，鋰電的安全性、穩(wěn)定性、耐低溫等性能同樣是綜合評(píng)判鋰電性能的重要指標(biāo)。

錳酸鋰：高溫性能、循環(huán)性能、儲(chǔ)存性能較差，錳在高溫情況下易分解，電池組的使用壽命短不易存儲(chǔ)。

材料鋰電池：

高低溫、循環(huán)、安全性、存儲(chǔ)及個(gè)項(xiàng)電性能都比較平均。體積比能量高，材料價(jià)格適中并且性能穩(wěn)定。三元材料電芯根據(jù)鎳鈷錳的比例又有532,811等一系列體系。最近幾年比較火的是811體系的電芯。鎳的比例越高，動(dòng)力電池越不穩(wěn)定。同時(shí)提高鎳的比例可以提高電池的能量密度。所以動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)是一個(gè)平衡的過(guò)程，平衡實(shí)用性與安全性。

磷酸鐵鋰：

安全性能好，電導(dǎo)率低，體積比能量低，材料成本高，低溫性能很差，不能滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)冬天使用。

鋰電池的正極是將正極材料（如LFP、NCM）涂布在鋁箔（集流體）上，負(fù)極是將負(fù)極材料（如石墨、LTO）涂布在銅箔（集流體）上。一般情況下電池是根據(jù)正極材料來(lái)命名，所以一般稱(chēng)三元電池或磷酸鐵鋰電池；而鈦酸鋰電池中LTO是負(fù)極材料，因此這算是以負(fù)極材料命名電池的特例。在翻閱國(guó)外文獻(xiàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)文中常將正極材料稱(chēng)為陰極（Cathode），將負(fù)極材料稱(chēng)為陽(yáng)極（Anode），一開(kāi)始并不是非常理解，因?yàn)槲覀円话阏J(rèn)為，發(fā)生還原反應(yīng)的電極是陰極，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極是陽(yáng)極；而電池在放電和充電切換的過(guò)程中陰陽(yáng)極也隨之在變化。后來(lái)慢慢有點(diǎn)想明白，這個(gè)定義應(yīng)該指的是沒(méi)有外部能量影響的條件下的情況，所以以放電狀態(tài)下的反應(yīng)情況來(lái)確定電池的陰陽(yáng)極。

電池的衰減可以分為兩方面分析，一方面是性能上的，另一方面是安全性上的。

1）性能衰減

電動(dòng)汽車(chē)在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的使用后續(xù)航里程會(huì)有所下降，加速性能的衰減也可能被感受到。這主要可以從容量的衰減、內(nèi)阻的增加、以及電池自放電的增大幾個(gè)方面去分析。

2）安全性衰減

安全性的衰減相對(duì)而言就比較難比察覺(jué)。有可能電池已經(jīng)出現(xiàn)了機(jī)械形變，或者發(fā)生內(nèi)短路的概率增大了，以及存在漏液的風(fēng)險(xiǎn)。

因此接下去我們可以找到什么影響了容量的減少、內(nèi)阻增加由哪些因素引起、電池形變產(chǎn)生過(guò)程、以及導(dǎo)致內(nèi)短路發(fā)生的因素這樣的問(wèn)題來(lái)理解電池的衰減過(guò)程。

從安全性來(lái)說(shuō) ，錳酸鋰電池比三元的電池的安全性要好很多。比如現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有廠家用新正的錳酸鋰LMA-30制作的90安時(shí)單體電池， 都可以通過(guò)201所全部的安全性測(cè)試 。而三元材料而言 ，可能現(xiàn)在國(guó)內(nèi)20安時(shí)單體都通不過(guò)針刺檢驗(yàn) 這主要是材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所決定的 。錳酸鋰的結(jié)構(gòu)本身比三元材料要穩(wěn)定。此外 錳酸鋰這種材料的發(fā)展時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng) ，成熟度要高很多 ，前面提到的新正的LMA-30是用Al進(jìn)行改性的錳酸鋰 ，今后也不排除改性三元的推出。另外， 由于電解液的匹配問(wèn)題， 三元相對(duì)于錳酸鋰更容易產(chǎn)氣， 這也是造成三元電池安全性不如錳酸鋰的一個(gè)原因。但是三元材料的能量密度卻比錳酸鋰高很多。 所以 現(xiàn)在日本也好， 韓國(guó)也好， 最成熟的動(dòng)力產(chǎn)品都是以錳酸鋰為主 ，混合三元一起使用 ，既保證了安全性， 又提升了能量密度 ，這也是今后動(dòng)力發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

電芯根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，分為圓柱形電芯、軟包電芯、方形電芯。

方形電芯

圓柱電芯

典型的圓柱電芯結(jié)構(gòu)包括：正極極片、負(fù)極極片、隔膜、電解液、外殼、蓋帽/正極帽、墊片、安全閥等。圓柱電芯一般以蓋帽為電池正極，以外殼為電池負(fù)極。

圓柱電芯標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，常見(jiàn)的型號(hào)有：14650、14500（5號(hào)電池）、18650、21700等。型號(hào)的的前兩位數(shù)字代表圓柱電芯的直徑（單位mm），第3、4位代表圓柱電芯的高度（單位mm），0指的是圓柱。特斯拉現(xiàn)在用的圓柱電池是18650和21700，未來(lái)還有4680（一款腰更粗個(gè)子更高的電池）將投入批量應(yīng)用。

軟包電芯

三種電芯對(duì)比，各有優(yōu)勢(shì)。結(jié)合生產(chǎn)工藝的方便性，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)主要用的是方形電芯。特斯拉電動(dòng)車(chē)用的是圓柱形電芯。

4 電池管理系統(tǒng)（BMS）

BMS英文名稱(chēng)BatteryManagement System，中文名稱(chēng)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控和管理的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)電壓、電流、溫度以及SOC等參數(shù)采集、計(jì)算，進(jìn)而控制電池的充放電過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)，提升電池綜合性能的管理系統(tǒng)，是連接車(chē)載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車(chē)的重要紐帶。

BMS（電池管理系統(tǒng)）功能主要有三種：通過(guò)測(cè)量動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)，為駕駛員提供剩余的使用電量，以便提醒駕駛員能及時(shí)為電動(dòng)電池進(jìn)行充電；其次是對(duì)電池溫度進(jìn)行監(jiān)控管理，檢測(cè)電池工作時(shí)的溫度，并使用吹分機(jī)或散熱片來(lái)確保電池工作在最佳狀態(tài)；最后是實(shí)現(xiàn)電池的均衡管理，由于出廠制造誤差、或者使用過(guò)程中的存在通風(fēng)性差異，電化學(xué)性能轉(zhuǎn)換不一等情況，對(duì)電池電壓、剩余電量進(jìn)行檢測(cè)，以防過(guò)度充電。

在BMS開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)BMS的危害分析有過(guò)壓（過(guò)充）、欠壓、過(guò)溫和過(guò)流等危害事件，如過(guò)壓可能是一個(gè)比較嚴(yán)重的事件，尤其長(zhǎng)時(shí)間對(duì)電池過(guò)充會(huì)導(dǎo)致電池性能下降和不可恢復(fù)性損壞，甚至導(dǎo)致電池變形、漏液情況發(fā)生。那么，對(duì)于BMS系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池過(guò)充、并通過(guò)合理的危害分析及評(píng)估，從單點(diǎn)失效和潛在失效等方面考慮設(shè)計(jì)安全機(jī)制，最后做出恰當(dāng)及時(shí)的處理。

5 電池發(fā)展趨勢(shì)

5.1 無(wú)鈷電池

三元鋰電池全稱(chēng)為“三元聚合物鋰電池”，是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（NCM）或者鎳鈷鋁酸鋰（NCA）的三元正極材料的鋰電池，其中主要用于穩(wěn)定材料層狀結(jié)構(gòu)、提高材料循環(huán)和倍率性能的鈷元素，公眾號(hào)動(dòng)力電池BMS,是三元電池中不可或缺的貴金屬。

一直以來(lái)，鈷的價(jià)格波動(dòng)極大程度上影響著三元材料的價(jià)格，可要知道的是，全球有超過(guò)一半的鈷均產(chǎn)自剛果（金），資源的過(guò)于集中也加劇了全球鈷供應(yīng)鏈的脆弱性。今年以來(lái)，隨著海外疫情的持續(xù)惡化，剛果的封鎖措施和社會(huì)動(dòng)蕩局勢(shì)加劇了對(duì)鈷礦生產(chǎn)的擔(dān)憂(yōu)，同時(shí)贊比亞、南非等國(guó)的邊境封鎖政策對(duì)鈷原料的運(yùn)輸產(chǎn)生限制，預(yù)計(jì)二季度剛果（金）和南非的鈷原料出口將顯著下降，對(duì)國(guó)內(nèi)三季度鈷原料進(jìn)口產(chǎn)生不利影響。

成本問(wèn)題一直是新能源汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展的絆腳石，作為核心成本的“動(dòng)力電池”一直被寄予希望能夠盡快降低成本，三元鋰電池在降低鈷比例和含量后，會(huì)相應(yīng)地降低整車(chē)的成本，鈷價(jià)波動(dòng)給企業(yè)帶來(lái)的影響也將被削弱，“忐忑”的企業(yè)開(kāi)始變主動(dòng)為被動(dòng)，這將有利于推動(dòng)新能源汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展。

下圖為蜂巢無(wú)鈷電池：

5.2 固態(tài)電池

固態(tài)電池是一種電池科技。與現(xiàn)今普遍使用的鋰離子電池和鋰離子聚合物電池不同的是，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。

由于科學(xué)界認(rèn)為鋰離子電池已經(jīng)到達(dá)極限，固態(tài)電池于近年被視為可以繼承鋰離子電池地位的電池。固態(tài)鋰電池技術(shù)采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升鋰電池的能量密度。

固態(tài)電解質(zhì)具有較高的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，可與高電壓的電極材料配合使用，提高電池的能量密度；固態(tài)電解質(zhì)具有高機(jī)械強(qiáng)度，樂(lè)意在電池循環(huán)過(guò)程中有效抑制鋰枝晶的刺穿，試具有高理論能量密度的金屬鋰作為負(fù)極材料成為可能固態(tài)電解質(zhì)缺點(diǎn)（現(xiàn)階段發(fā)展遇到的問(wèn)題）：電極和電解質(zhì)之間超高的固固接觸阻抗。

5.3 刀片電池

刀片電池是一種全新的設(shè)計(jì)理念，在采用長(zhǎng)電芯的同時(shí)，省去了中間模組環(huán)節(jié)，直接把電芯裝到電池系統(tǒng)里面。這樣重量和成本都有效下降，這一點(diǎn)和寧德時(shí)代的CTP有相似的地方。同時(shí)比亞迪電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒了蜂窩鋁板的原理，通過(guò)結(jié)構(gòu)膠把電芯固定在兩層鋁板之間，讓電芯本身充當(dāng)結(jié)構(gòu)件，來(lái)增加整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度。

C公司產(chǎn)品的長(zhǎng)度是148 mm、厚度是79mm、高度是97mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是卷繞，看起來(lái)像一塊板磚。刀片電芯長(zhǎng)度是960mm，厚度是 13.5 mm，高度為 90 mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是疊片。因其長(zhǎng)而薄的形狀酷似刀片，因此得名刀片電池。

5.4 疊片工藝

疊片工藝是將正極、負(fù)極切成小片與隔離膜疊合成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)大電芯的一種Li離子電芯制造工藝。

例如軟包鋰電池，靠的是“疊”，如“z”字形疊片，先把正負(fù)極原料裁切成同樣大小的矩形極片，再分別疊到隔膜上，隔膜“Z”字形穿行其間，隔開(kāi)兩極，最后包上鋁塑包裝。

疊片工藝過(guò)程繁瑣，主要是極片與隔膜裁切成片。但極片分切合格率低，質(zhì)量（斷面、毛刺等）很難保持高度一致性，且對(duì)齊精度不夠，這塊就對(duì)制作工藝的質(zhì)量要求比較高了。這也是疊片電池沒(méi)有普及的主要原因。

5.5 CTP/CTC

CTP技術(shù)全稱(chēng)為Cell To Pack，通過(guò)取消模組設(shè)計(jì)，直接將電芯集成為電池包，電池包又作為整車(chē)結(jié)構(gòu)件的一部分集成到車(chē)身地板上。

這種方式減少了模組本身的側(cè)板、端板（模組結(jié)構(gòu)件）和原本用于分隔模組以及幫助模組連接的橫梁、縱梁（電池包裝配支撐結(jié)構(gòu)）等材料，整個(gè)電池結(jié)構(gòu)極大簡(jiǎn)化，利用空間得到釋放，同等尺寸的電池包容量得以擴(kuò)展、電池組質(zhì)量得以減輕，由此帶來(lái)電池能量密度的提高和成本的降低。

CTP技術(shù)現(xiàn)有兩種不同的路線(xiàn)。一是徹底取消模組的方案，以比亞迪刀片電池為代表；二是小模組整合為大模組的方案，以寧德時(shí)代CTP技術(shù)為代表

比亞迪刀片電池 vs 寧德時(shí)代CTP

CTC技術(shù)全稱(chēng)為Cell to Chassis，寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群之前在中國(guó)汽車(chē)藍(lán)皮書(shū)論壇上是這樣介紹它的：“此技術(shù)將電芯和底盤(pán)集成一起，再把電機(jī)、電控、整車(chē)高壓如DC/DC、OBC等通過(guò)創(chuàng)新的架構(gòu)集成在一起，并通過(guò)智能化動(dòng)力域控制器優(yōu)化動(dòng)力分配和降低能耗。CTC將使新能源汽車(chē)成本可以直接和燃油車(chē)競(jìng)爭(zhēng)，乘坐空間更大，底盤(pán)通過(guò)性變好?！?/p>

CTC在某種意義上可理解為CTP的進(jìn)一步延伸，其核心在于省去模組、打包過(guò)程，將電芯直接集成到汽車(chē)底盤(pán)上，實(shí)現(xiàn)更高程度集成化。

傳統(tǒng)技術(shù) vs CTP vs CTC

CTC的出現(xiàn)，將突破PACK的限制，直接涉及到汽車(chē)底盤(pán)，這是整車(chē)最為關(guān)鍵的核心部件，是整車(chē)廠商經(jīng)歷長(zhǎng)期發(fā)展所積累的核心優(yōu)勢(shì)所在，是電池企業(yè)/專(zhuān)業(yè)PACK企業(yè)難以獨(dú)立開(kāi)發(fā)的。所以現(xiàn)在一些電池供應(yīng)商開(kāi)始策劃底盤(pán)開(kāi)發(fā)。

特斯拉去年在柏林工廠舉辦的Giga Fest活動(dòng)中，展示了4680 Structural Battery（CTC）方案–4680電池包取消了模組設(shè)計(jì)，電芯密集排布在車(chē)輛底盤(pán)中，電池上蓋肩負(fù)密封電池與車(chē)身地板兩項(xiàng)功能，座椅則可直接裝在電池包上。

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