七层开箱电动车动力电池系统

七层开箱电动车动力电池系统


  当你看懂了电动车将称王的市场讯号、对动力电池系统有了基础理解之后,不管是想转型或转职,你会开始想:「这么长的供应链,落点在哪里对我最有利呢?」这就是我们今天的重点!我们立刻继续开箱,解说从锂电池原材料到系统整合的七层动力电池系统,以及我们看好哪些落点。

七层开箱电动车动力电池系统

  人体系统彼此相生,既然电动车的手脚在电机、大脑在电控、心脏在电池,也就意味著三电彼此也有相生的关系,因此我们这里的分类方式主要是为了让你方便理解,有些会拆分成更少或更多,建议不需要花时间纠结在分几层上,反正电池占电动车近一半的成本,是电动车中最关键的零组件,搞懂电池系统,就等于破解了电动车。

动力电池系统第一层:原材料及电池材料

       动力电池与储能电池(注一)都需要电池原材料作为基础。原材料主要是矿区,电池材料指的是正极、负极、电解液、隔离膜,你可以回头看《如何判断电池技术大突破是世纪大骗局还是真革命?》一文,有各种材料与原理的完整说明。这里基本上各家都已经有了各自的站位,竞争较不易,且上游的资本密集度很高,台湾这些年传统化工企业如台塑、长春、中油,到高技术门槛的应用材料企业如硕禾、明碁材、友达等积极往材料开发这个领域靠拢,不过都没有取得全球关键站位。要想改变,恐怕得另辟蹊径如开发固态电池、钠电池等,假以时日才有机会改变竞争格局。

动力电池系统第二层:电池芯(Cell)

  把这些电池材料组合在一起,就成为电池芯。一台特斯拉电动车大概有10,000颗电池芯,电池芯的性能决定了电池模组的性能,进而影响整个动力电池系统的性能,因此在进行设计时,负责装配的整车厂或电池公司会依据该电动车需求去选择电芯的材料及形状。

(图一)圆柱电池芯示意图
资料来源:陈贻评

  材料选择主要有三大家族,分为钴酸锂(LCO)、磷酸铁锂(LFP)与三元材料(NMC),而其中三元材料又因为其配比不同,产生眼花撩乱的组合。大多数的小客车都用能量密度高的三元材料电池,续航里程需求低的大客车则多采用磷酸铁锂电池。

  电芯的形状选择也有三种,分为圆柱电芯(Cylindrical)、软包电芯(Polymer)、方形电芯(Prismatic),大多数的小客车都用设计上比较好安排的方形电芯。

  很多人喜欢幻想台湾能出现一家世界级的电池芯厂,这是不实际的。台湾市场小,研发出来也没什么市场,而电池需要大量的订单才有试错和调整的机会,再加上大陆电池芯竞争已经非常激烈,想要弯道超车已经太迟了。

动力电池系统第三层:电池模组(Module)

  由于电池自身有一定的内阻,在输出功率、电能的同时产生一定的热量,从而产生热量累积,使电池温度升高,进行电池芯串并联组合后,会产生散热问题,散热越不均匀,电池使用越不一致,进而缩短电池寿命,因此电池模组最重要的任务,就是务求维持均温与控制最高操作温度。

(图二)电池模组示意图
资料来源:https://grubermotors.com/services/model-s-main-battery-pack-repair/

  电池公司或专业的电池模组厂,就是负责这段的组装技术,他们在制作模组时,会建立第一阶小型电池管理系统,并将消防防护机制也设计在内,以防止电池芯之间的延烧,国际安全认证如IEC、UL皆有制定相关的国际安全认证规范及测试要求。

动力电池系统第四层:电池包(Pack)

  把电池模组组合起来即为电池包,为了要管理电池芯和模组,需要更高一阶的电池管理系统,给电池命令,它才知道要怎么行动,电池管理系统也会时时检查每颗电池芯的状态,并尽量维持电池芯之间的平衡,不然电池使用越不一致,连带也会影响电动车使用寿命。模组和电池包这两层没有明确的学术定义,各种电动载具、各个公司都可能有不同的界定方式。


(图三)电池包示意图
资料来源:https://grubermotors.com/services/model-s-main-battery-pack-repair/

       台湾早期从笔记型电脑发展以来,即有电池三雄新普、顺达、佳百裕,后随著交通运具电动化趋势,许多公司也逐步转型或扩张业务,其中尤以电动脚踏车的电池模组厂为大宗,如兆普、达方、天宇、西胜等。另外,台泥和鸿海也正在积极布局锂电池模组化与系统化。

        一家专业的电池模组厂可以同时负责第三层电池模组和第四层电池包的工作,我们认为专业的电池模组厂是台湾最有机会切入电动车供应链的先锋部队,这虽然又是以代工角度切入市场,但不失为一个后进者在大争之世先取得自己站位的做法。只是当取得初步的市场站位之后,必须要能找一个有战略布局思维、敢大破大立的接班人,不论是材料或应用上的创新,不能再次掉入我们这代人悲伤的「护国神山」陷阱。

动力电池系统第五层:电池管理系统(BMS)

       虽然上面已经部署两套电池管理系统,在动力电池系统中,电池管理系统是属于电控管辖,含软硬体两个层次。软体设计功能除管理功率调节器(PCS)何时充放电,还包含监视电池储存的环境温溼度、充放电效率等。

       硬体组成上,主要由电流感测器、电压感测器、温度感测器、漏电检测、熔断(Fuse)装置、电驿(Relay)等组成。电池管理系统一般采用CAN通讯模式进行系统之间的沟通。

       台湾因汽车产业较为封闭,传统汽车大厂多由欧美日所把持,他们会培养与自身相关的卫星体系厂商、讲车厂使用的语言,台湾企业较难切入其供应链中,相对来说机会较小。比较有机会的是新兴的电动车厂,不过除了特斯拉之外,中国大陆各大电动车品牌在这些年也都建立了自己的卫星体系厂商,我们也难讨到便宜就是了。

动力电池系统第六层:热管理系统,也称散热模组(Thermal Module)

  要让电池在一个很舒服的温度范围内工作,就是热管理系统的任务。电池为发热源,为了保证电池不罢工,就要让它吹冷气或吹暖气,一般可分为气冷式及液冷式两种,热管理系统有以下主要功能:

  1. 电池温度的准确测量和监控
  2. 高温条件下进行有效的散热和通风
  3. 低温条件下的快速加热使电池正常运作
  4. 确保各个电池模组温度的均匀分布
  5. 排出电池有害物质例如汞、镉、铅等

 动力电池系统第七层:电气及机械系统整合(SI)

  这里就进到三电中的电机地盘了。电气及机械系统主要包括高压系统、电池包系统、连接器线束、充电连接器以及整体外壳等。这里说的高压系统是800V(或以上),不是我们之前在电力系统文章中理解的高压69kV。在设计电池高压系统时,需要考虑绝缘设计、电力供给端和输出端的平衡,电力供给端对于纯电动车指的是驱动用电池,对于插电式油电混合车(PHEV)、油电混合车(HEV)则指的是驱动用电池和发动机的发电电力,车辆需要根据车辆状态和行驶状态随时改变供给端;输出端是指由高电压电力驱动的机器,如用于驱动的马达、空调设备、直流电源转换器、电动转向辅助系统等。

  电池包系统具备最重要的基本功能,如前所述整合了电池管理系统BMS、电池模组与整车的信号通信,电源输出入以及温度控制等。

  其他部件则包括连接器线束及相关的充电连接器等,连接器线束公司除早期与特斯拉合作密切的贸联外,近年来随著电动车市场的蓬勃发展,信邦及嘉泽等传统特殊连接器线束公司也开始争食这块大饼。

  看到这里我想你已经知道转型或转职该往哪里去了。下一篇,我们来谈一间健康的电池公司需要哪些人才,你应该如何找团队或找位子。

(注一)《储能系统全解析!行内人揭开储能概念股在夯什么》

(封面来源:保时捷官网)

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