剖析新能源汽車動力電池與手機電池的區別

      新能源汽車電池為啥要做成那么大的一個電池包才能裝到車里？
      像我們平時看到的電子設備的電池，都是一節一節或者是一塊一塊的，非常便于拆換，而且還可以輕易地拓展電池盒加大續航能力。那么，汽車的電池為啥會設計的那么笨重呢？
      今天，我們就要來講一講，手機上的電池，和汽車上的動力電池，有哪些地方不一樣？
      我們以剛上市的iphone X的電池作為手機界的代表，再拿剛在廣州車展發布的全新BMW 5系插電式混合動力作為汽車界的代表。先看以下幾點：
      1、電池能量
      首先，最明顯的差別就是電池的體量。iphone X電池的容量為2716mAh，按照3.7V的鋰電池平均電壓來看的話，電池的能量就是10wh。而另一邊，5系動力電池的電池能量為13kwh，也就是13,000wh，相當于1300只iphone X的電池能量。
      2、放電能力
      再看放電的能力，拿滿電的iphone X玩王者榮耀，大約玩5個小時手機就需要充電了，那么計算下來，手機電池的輸出功率大約在2W，這樣子玩下來，手機電池基本上是發燙的。
      放到5系上，5系在純電模式下可以以140km/h的速度高速行駛，此時達到電機的最大輸出功率70kW，也就是約等于是電池的輸出能力，相當于iphone X的35,000倍。那么，放電的發熱量的差別也很驚人，所以汽車的動力電池基本上都要配備冷卻系統才能安全工作。
      3、電池壽命
      通常按照儲電性能衰減到80%為基準，判定一塊電池的充放電壽命，一般手機電池會做到1000次，使用期為兩年多。
      而5系動力電池中電芯的性能，可以進行5000次的充放電才衰減到80%，所以從工藝要求和成本上，也會有更高的要求。5000次什么概念呢？假如你有每天給車充滿電的好習慣，日復一日從不間斷，那這個電池可以用上十多年，怪不得汽車廠商可以給出8年12萬公里的電池質保一點都不帶慫的。
      光這三點，就可以說明，手機電池和汽車動力電池完完全全是兩個數量級的產品，不論是千倍級的儲電能力、大到必須進行熱管理的放電能力還是對電池壽命的嚴苛要求，都決定了汽車動力電池設計上的復雜程度是遠遠高于手機電池的。
      而且事實上，手機電池的作用其實僅相當于汽車動力電池中一個單體電芯（Cell）的功能，都是最小的電能儲存件。也可以認為，汽車的動力電池，就是一套對成百上千個單體電芯（Cell）進行安裝放置并且管理運行的電池大樓。汽車動力電池不光要進行充電放電的控制，還要令電池組中每個單體電芯都能處于合理的工作狀況，并且把電池的循環壽命充分發揮出來。
      那么，差別不僅僅體現在了體量上，而且還有因為體量問題所帶來的一切問題！于是還有以下幾點差異。
      4、組織形式
      手機電池大多數是單體電池，就算有多個，基本也不會超過2個，那么每一個電池我們稱其為一個Cell，也就是電芯的概念。
      由于都是鋰電池，手機和汽車的電池電壓大小基本上是一致的，一般都是在3.7V附近，滿電狀態下可以達到4.2V，再充的話電池就要壞了。但是汽車沒法用3.7V的電壓去驅動呀！否則傳輸的電線得老粗老粗了，所以必須把一堆電池串聯起來，形成更高的電壓去提高能源的效率。
      那就需要把電芯（Cell）們組織起來一起工作，一般汽車動力電池的電壓會在450V以內，那就是約100個Cell串聯起來以后形成的電壓。但是這么多Cell沒法傻瓜式的一個挨著一個疊100多層呀！
      于是，就有了模組（Module）的概念，就像生產隊時期，村里分大隊的概念一樣，一般是12個Cell或者14個Cell組成一個Module。然后每個Module有著分管麾下所有Cell的職能，出問題了隨時向上級匯報。
      那這個上級是誰呢？我們叫做電池管理系統，也就是我們經常聽說的BMS（Battery Management System）。而且，BMS并不是一個盒子的范疇，而是涉及到各種傳感器（如電芯監控單元）、控制器（如電池管理主控制器）、執行器（如開關盒）一系列元件所組成的一個管理系統，這個上級要確保下面每個大隊里的每一個勞動力都健健康康地吃喝拉撒，為實現清潔持久的動力能源而協同一致。
      5、工作環境
      如何保障汽車動力電池的高效能高壽命？那就出現另一個區別了，就是電池的工作環境。和手機-20°C至60°C的工作溫度相比，汽車動力電池的工作條件更為矯情，一般會控制在0-30°C的范圍內。
      同時，電池對工作環境的氣壓和濕度也有更高的要求，一般會通過一道防爆閥來平衡內外壓力并且阻止外界的水蒸氣進入。也正是因為做了這些工作條件的建設，汽車動力電池的壽命才得以比手機電池更長。
      那么，溫度怎么來控制呢？因為高功率時電池的快速放電會堆積大量的熱量，一旦溫度過高，不光電池壽命會受到極大的摧殘，整個電池包甚至會因此爆炸起火，非常危險。
      飛機上行李艙內溫度較高（約60°C）故不允許托運鋰電池，電子產品進微波爐加熱會炸均是因為這個原因。所以，汽車的動力電池，都必須配有一套專屬的冷卻系統，常見的做法會有一套單獨的水循環系統來對電芯來進行降溫，確保電池最佳的工作溫度。
      但也有例外，全新BMW 5系插電式混動車型就利用了空調的制冷系統對電池進行冷卻，這種功能整合減少了汽車上的配件冗余，同時也節約了成本減輕了重量。否則，電池包的體積至少要再大一個疙瘩出來，用來放一個水泵和一個散熱器。
      6、安全要求
      手機電池的生產，由于批量非常大，一般會追求利益最大化，設計邊界往往就卡在安全線內一點點，有點像在刀尖上跳舞的意思。三星Note7就是屬于跳舞太大意了，直接炸了十幾萬用戶。
      但是這種事情放在汽車上，則是一萬個不允許的，這個一旦炸了，不光是車上的一家幾口人的生命，恐怕汽車企業的生命也一起葬送在電池上了。
      所以，對于汽車動力電池的驗證過程是極其嚴苛的，像BMW的動力電池包，會針對擠壓、震動、內部加壓、噴水、火燒、腐蝕、浸泡等多種極端工況進行實驗驗證，確保在裝車之后的使用過程中動力電池的安全方面可以萬無一失。
      7、工藝要求
      上文中，介紹汽車電池為了有高電壓，所以是串聯的，但是串聯的電芯會產生“木桶效應”，這是汽車動力電池最需要克服的核心難題。
      眾所周知，“木桶效應”意味著水桶裝水的能力取決于最低的那塊木板，串聯在一起的電芯們也是這樣的，由于是串聯，所以各個電芯之間進行的電荷轉移是一致的，那么當一個電芯的充電上限降低了，或者放電下限上升了，都會影響整個電池組的儲電能力。
      在電池管理上，一般通過被動均衡和主動均衡兩種辦法去平衡電芯的性能，目的是令其他電芯做出一些額外的充放電行為去遷就那塊最差的電芯，以實現整體性能的最大利用。但如果電池在生產或者使用過程中，出現了性能良莠不齊，那就會產生極大的性能衰退和資源浪費。
      那用什么辦法來確保電池性能的一致性呢？上面也介紹了一些，通過溫度的管理來讓電芯的工作溫度穩定一致，衰減程度也趨于同步。
      另外方面，在生產電池的時候，就要求電芯產品的性能也穩定一致。寶馬的動力電池工廠，就把模組的裝配生產放在了自己工廠里進行，工廠將CATL（寧德時代）的電芯送到產線上，通過電芯檢測、等離子除污、貼絕緣膜、極光焊接、視覺化智能檢測之后，在一個穩定溫度低濕度的環境中封裝成模組，之后再拼接成雙模組，最后再完成動力電池包的總裝。
      最后完成的動力電池包，大約就是這個樣子的。全新BMW 5系插電式混合動力車型的電池包是由4個雙模組組成的，也就是8個單模組，每個模組是12塊電芯，總共是96塊電芯。
      所以說，汽車的動力電池包，就是要創造一個理想的環境去管理這么多的電芯，使其性能可以滿足汽車的使用需要，包括性能、安全、耐久性。而不是像手機那樣，使用了兩年左右，如廠家所愿，也如你所愿，差不多就該換一臺了。
      介紹完這些，相信大家可以大致理解手機電池和汽車動力電池的差別了吧！