2024年3月20日 星期三

電池相關的各種知識與展望(11) 無模組化技術


多個電芯當作一個電池來使用


因為以上各種電芯的不同特性,使用時就必須考慮清楚其優缺點,也會造成保管處理方法有所不同。好比說,如果想要最大程度發揮電池特性、或是確保安全性的話,裝入產品中的電芯往往就會設計成有比較強的拘束性。一般來說,根據外殼強度與電芯形狀來判斷,薄片型電芯會需要比圓筒形電芯有更強的拘束設計。除此之外,根據製造方法與用途的不同,其保管處理方式與設計思想,各種電芯也會有不一樣的考量,但這個部分就留待有機會再介紹。


如一開始介紹過的一樣,「單電芯」本身就具有一顆電池的完整功能。不過,雖然像小型電子產品往往一顆電芯就足以作為產品的電源,但在如電動車這樣大型的產品上,就必須有多顆電芯組合起來、利用並聯/串聯的方式來提供產品需要的電量與電壓。像這樣的電芯(電池)集合體,一般來說,就會稱為「電池模組(Module)」。


在組合成電池模組時,就是將數個電芯的電極部分結合起來,以構成一個大電池。如果單電芯的形狀是圓筒形或四方形時,就需要透過所謂「匯流排(Busbar)」的金屬片來結合;但如果單電芯的形狀是薄片式(Laminate),則只要將不同電芯之電極端子金屬片彼此直接焊接起來,就能和多個電池連接起來。


除此之外,電池模組上裝備了過充電、過放電、過升溫等等危險防止保護電路,還有監控電壓、溫度等參數的電池管理系統(Battery Management System,簡稱BMS)、以及充放電電路或冷卻機構等等附加功能,常常還會將好幾個電池模組連接起來一起組裝至外殼中,成為一個大的電力系統,一般就把這樣的電力系統,稱為「電池包(Battery Pack)」。電動車這種車載用電池系統,基本上都是以「電池包」的型態組裝到車上,並且設計成以安全性為首的各種功能需求都能滿足目標的設計。


不透過模組型態之系統化


以往的車用電池系統,大多依照上述說明過的流程,也就是遵循著「電芯」→「模組」→「電池包」(系統化)的方式來建構電池系統;不過近年來有不同的方式出現,特別是在電動車用途上,可以看到所謂的「無模組化技術」設計程序出現。好比說,如果將數個電芯不組裝成電池模組、而是直接整合成電池包的「電芯至電池包」方式;或是將電池包這種系統本身就組進車體構造的一部份的「電芯至車體(Chassis)」方式,都可在某些車廠的公告中看到。


之所以會有這種「無模組化技術」的方式出現,其背景來自於「提升單位體積的能量密度」。如同以前提過的正極活性物質的設計趨勢是「去鈷化」與「分類使用」,今後從價格的觀點來看,去鈷化是勢在必行,在電動車上使用的電池大致會區分成價格便宜的橄欖石鐵(LFP)系列與使用鎳錳為主體的材料系列的兩大山頭,根據搭載車輛的價格與性能來挑選上述兩大系統的電池。


這裡想要強調的,就是主打便宜量大的LFP系列材料的能量密度偏低。採用LFP系列材料時,雖然的確可以將整車的價格壓低,但相反地,每充一次電能跑的距離也很難提升。這時候值得注目的改善技術,就是可以有效率地利用車體體積,將更多的電芯塞入車體中的「無模組技術」。換句話說,就是要依賴系統化設計來解決單電芯能量密度較低的問題。


2019年9月,北汽集團與寧德時代發布消息說,雙方共同開發出、應用「電芯至車體」技術設計出來的電池包、將會使用在北汽的EU5車型上。在寧德時代的報告中指出,藉由「電芯至車體」的新方式,與傳統的電池包設計相比,車體空間可以更有效活用、提升能量密度、也能減少必要零件的數量,擁有許許多多的成本優勢。


此外在2020年3月召開的比亞迪新型電池「刀鋒電池」的發表會上,也說明了刀鋒電池一方面是提供電量的能量體之外、一方面也是以電池包來支撐車體樑柱的構造體,也在強調廢除了模組設計而能改善體積效率。(下圖:比亞迪的刀鋒電池)



在特斯拉公司舉辦的「電池日」活動中,也提到了從電芯直接成為電池包、而能構成車體構造的一部分的「電芯至車體」的構想(如下圖)。同樣地,2021年9月豐田汽車舉辦的「電池、碳中和說明會」中的提問時間中,豐田方面也提到了會有「電池包一體構造化」的構想,可見無模組、無電池包的技術也在豐田公司受到重視。



在2021年11月29日,日產汽車發表了長期宏觀計畫「Nissan Ambition 2030」,這當中提及了未來技術概念時,也說到了要將電池構成車體成為一體化的目標(如下圖)。這些例子都可以看出在電動車上,各家公司都在追求建構更有效率的電池系統包裝。



以上,就是這次整理的「電芯」、「電池模組」、「電池包」等等的名詞說明,以及最近在電動車用途上非常流行的「無模組化技術」、與各公司的技術動向。


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