【电池分析】储能电池与动力电池差异与分析
【电池检测】动力电池测试——从性能到安全的全方位剖析
一、动力电池包的基础构成解析
（一）各组成部分概述
动力电池包作为新能源汽车的核心部件，其一般包含多个重要组成部分，各部分协同工作，保障电池包的正常运行以及为车辆提供可靠动力。
首先是电池单元，它是动力电池包的最小单位，也是电能存储单元，就像是一个个小小的能量 “仓库”，有着较高的能量密度，目的在于尽可能多地存储电能，进而让电动汽车能够拥有更远的续航里程。而且电芯的寿命是极为关键的因素，因为任何一颗电芯出现损坏，都可能导致整个电池包无法正常工作。电芯主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳构成，并且从形态上可分为铝壳电芯、软包电芯（又称 “聚合物电芯”）、圆柱电芯三种，像通常手机电池采用的为铝壳电芯，蓝牙等数码产品多采用软包电芯，笔记本电脑的电池则采用圆柱电芯的串并联组合。
连接器在电池包中起着连接不同组件的关键作用，它确保各个部分之间能够实现良好的电路导通，让电能可以在电池包内部以及与外部用电设备之间顺利传输，就如同桥梁一般，将各个 “岛屿”（不同组件）连接起来形成一个完整的 “陆地”（完整的电路系统）。
电池管理系统（BMS），堪称动力电池包的 “大脑”，它是控制、监测和管理电池单体工作状态的核心设备。由传感器、执行器、控制器（电控单元）等组件构成，负责实时采集系统的电压、电流、温度等数据，然后进行复杂的计算，还要与整车其他部件进行通信，完成诸如判定系统的运行边界、控制系统的异常状态等特定的功能，以此保证电池单体的安全、稳定和长寿命运行。
控制器也是不可或缺的一部分，它根据电池管理系统等传来的信息，对电池包的充放电等工作过程进行精准调控，确保整个电池包在合适的工况下运行，避免出现过充、过放等影响电池寿命和安全的情况。
散热器则肩负着为电池包 “降温” 的重要使命，由于动力电池充放电的过程实际上就是化学反应的过程，这个过程会释放大量的热量，如果不能及时把内部热量散出去，轻则影响动力电池寿命，导致使用寿命快速衰减，重则引起热失控，带来安全问题。散热器通过合理的散热方式，例如风冷、水冷、液冷、相变材料等手段，保障电池单体温度在合理的范围内，有利于电池单体寿命的延长。
除此之外，电池包还包括继电器、保险丝、传感器等其他组件，这些组件用于连接、保护和控制电池单体系统的运行，它们虽看似不起眼，但每一个都在保障电池包正常运作方面发挥着独特且重要的作用。
（二）电芯相关情况说明
电芯作为动力电池单元里的核心要素，其内部结构值得深入了解。电芯主要由正极、负极、隔膜和电解质这几部分组成。正极材料通常采用钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等，不同的正极材料会赋予电芯不同的性能特点，比如能量密度、充放电效率、稳定性等方面都会有所差异；负极一般是以可嵌入锂离子的碳材料为主；隔膜则起到分隔正负极、防止短路的同时，又允许锂离子通过的关键作用，就像一道 “安全屏障” 保障着电芯内部电化学过程的正常进行；电解质是离子传输的介质，为锂离子在正负极之间的移动创造条件，使得充放电过程能够顺利实现。
电芯的组装有着一套严谨的流程，先是众多电芯会按照一定的规则组装成模组。具体来说，当多个电芯被同一个外壳框架封装在一起，通过统一的边界与外部进行联系时，便组成了一个模组。例如圆柱电芯会以特定的排列方式组合在模组框架内，各个电芯之间通过连接片等实现电气连接。而且模组的结构必须对电芯起到支撑、固定和保护作用，可以概括成机械强度、电性能、热性能和故障处理能力这 3 个大项，以此确保电芯在模组内能够稳定、安全地工作。
在完成模组的组装后，数个模组会被电池管理系统（BMS）和热管理系统共同控制或管理起来，进而构成一个完整的电池包。整个过程是从微观的电芯逐步到宏观的模组，再到更大的电池包，就像搭积木一样，一层一层构建起为新能源汽车提供强劲动力的核心部件，而且不同的车型的电池组成的方式可能略有不同，但整体来说，基本都是遵循电芯到模组，模组再到电池包这样的过程来组成的。
二、动力电池包结构安全设计要点
（一）结构布局优化
在动力电池包的结构安全设计中，结构布局优化是至关重要的一环。合理的结构布局能够有效避免故障扩散，防止电池出现过热、短路等危险情况。例如，采用分割式设计，依据电池模块的功能、特性等因素，将其科学划分为不同的区域，这样一来，当某个区域出现问题时，可以最大程度降低对其他区域的影响，防止故障蔓延至整个电池包。
同时，设置防火隔离层也是常用手段。防火隔离层如同防火墙一般，放置在不同电池模块之间或者关键组件周围，一旦某个部位发生热失控等可能引发火灾的情况，防火隔离层能够阻挡火势和高温的传递，为保障电池包整体安全争取时间。
冷却系统的合理配置同样不可或缺。由于电池在充放电过程中会产生热量，若不能及时散去，热量积聚将导致电池温度过高，进而影响电池性能甚至引发安全事故。通过在电池模块之间或周围布置冷却管道、散热片等冷却组件，构建起高效的冷却系统，让冷却液或者空气等介质带走热量，使电池能始终在适宜的温度环境下工作，确保其安全性与稳定性。
（二）温度控制措施
温度对于动力电池包的安全运行起着关键作用，所以安装温度传感器和温度控制系统意义重大。温度传感器就像是一个个敏锐的 “触角”，分布在电池包的各个关键部位，实时监测电池单体以及不同区域的温度情况，并将数据反馈给温度控制系统。
温度控制系统则依据接收到的温度信息进行判断和调控，保障电池始终处于安全的温度区间内。在散热方式上，主动冷却和被动散热是常用的两种手段。
被动散热主要是利用自然对流、热传导等自然方式，让电池产生的热量自然散发到周围环境中，例如有些电池包的外壳采用具有良好导热性能的材料，热量可以通过外壳自然传递出去，其优点是结构简单、成本较低，但散热效率相对有限，在高温或者高负荷工况下可能无法满足散热需求。
主动冷却则通过额外的设备来强制进行热量交换，像风冷系统中，风机等装置会强制空气流动，并且可预先对空气进行加热或冷却处理，以增强散热效果；液冷系统利用冷却液作为热交换介质，通过复杂的液体循环系统，精准地将电池产生的热量带走并散发出去，散热效率高且能够灵活调节，不过相应的能耗和成本也会有所增加；还有直冷技术，采用制冷剂作为热交换介质，利用制冷剂在气液相变过程中吸收大量热量的特性，实现电池包的快速冷却，同时具备结构紧凑、温度均匀性好等优势，但对系统的耐高压性和密封性等方面要求较高。
（三）电池管理系统（BMS）作用
电池管理系统（BMS）堪称动力电池包的 “智能管家”，它具备多项重要功能，其中监测电池各类参数、实时掌握电池状态尤为关键。它通过配备的多种高精度传感器，如电压传感器能精确测量电池单体的电压值，哪怕是微小的电压波动也能及时捕捉，从而判断电池是否存在过充或者过放的风险；电流传感器负责准确监测电池的充放电电流，无论是大电流快速充电还是小电流涓流充电，都可以提供可靠的数据，辅助分析电池的充放电状态；温度传感器则时刻留意电池的温度变化，一旦温度过高，预示着可能出现安全隐患，便于及时采取散热等应对措施。
而且，BMS 系统会对采集到的大量数据进行复杂的分析处理，进而实时掌握电池的状态，例如能够准确估算电池的荷电状态（SOC）和健康状态（SOH），SOC 反映了电池当前剩余电量的比例，SOH 体现了电池的老化程度和剩余寿命，这对于合理安排电池的使用、充电计划以及预测电池的性能变化趋势有着重要意义。
当检测到电池出现异常情况时，BMS 系统能够迅速采取对应的措施。比如发现电池过充时，它会及时切断充电回路，避免因过度充电对电池造成不可逆的损害；若检测到电池过放，会立即关断放电回路，防止电池过度放电影响其寿命和性能；同时还能发出报警信号，提醒相关人员及时处理，全方位保障电池单体的安全、稳定和长寿命运行。
（四）短路和过充保护机制
短路和过充是可能引发动力电池包严重安全事故的两大隐患，因此相应的保护机制必不可少。在短路保护方面，电池包内设置有专门的短路保护装置，这些装置能够实时监测电路中的电流情况。一旦电流出现异常升高，达到短路保护设定的阈值，短路保护装置会迅速动作，例如通过切断电路等方式，阻止过大的电流对电池以及其他组件造成损害，避免电池因短路引发过热、起火甚至爆炸等危险情况。
对于过充保护，有着一系列精心设计的措施。其中，电压监测是关键环节，通过电压传感器时刻关注电池单体或者电池组的电压变化，当电压升高至设定的过充保护电压值时，过充保护回路就会启动，及时切断充电电源，终止充电过程，防止电池因过度充电导致内部化学反应失控，损害电池性能和结构。而且部分电池管理系统还具备多重过充保护逻辑，比如设置不同的电压阈值以及对应的保护动作，进一步提升过充保护的可靠性，全方位保障电池在充电过程中的安全，避免因过充引发各类安全事故。
（五）安全隔离与防火材料运用
为了提高动力电池包的防火性能，防止故障在电池包内部扩散，合理运用安全隔离与防火材料是极为重要的设计思路。在电池包内部设置安全隔离层，比如采用防火隔热片将各个电池模组或者电芯间隔开来，当某个电芯或者模组出现热失控等异常发热情况时，安全隔离层能够有效阻挡热量的快速传播，避免周围的电芯或模组受到影响，防止故障范围进一步扩大。
同时，选用阻燃材料和防火涂层也是常用手段。阻燃材料可以用于制造电池包的外壳、线束的包裹等部位，使其具备一定的阻燃性能，即使遇到火源也不容易燃烧，或者在燃烧时能够自行熄灭，降低火势蔓延的可能性。防火涂层则可以涂覆在电池包内部的关键结构表面，进一步增强其防火能力，在高温环境下也能起到隔绝热量、延缓火势发展的作用，保障电池包整体的安全性，为驾乘人员的安全以及车辆的稳定运行筑牢一道 “防火墙”。
（六）碰撞保护设置
考虑到动力电池包在车辆行驶过程中可能遭受外界碰撞冲击，设置碰撞保护结构来增强其抗碰撞能力是不可或缺的设计要点。在电池包外部，通常会采用高强度的材料来制造外壳，像一些特制的合金材料，具备较高的强度和韧性，能够在一定程度上抵御来自外界的冲击力，保护内部的电池模块免受损坏。
此外，还会设计专门的缓冲结构，例如在电池包的四周或者底部安装防撞梁、吸能盒等组件。当车辆发生碰撞时，这些缓冲结构首先承受冲击力，通过自身的变形来吸收和分散碰撞能量，减少传递到电池模块上的冲击力，避免电池因受到强烈撞击而出现电芯破损、短路等引发安全事故的情况，就如同给电池包穿上了一层坚固的 “铠甲”，最大程度保障其在碰撞场景下的安全性。
（七）质量控制与测试要求
在动力电池包的整个生产过程中，严格把控质量是确保其结构安全的基础。从原材料的采购开始，就需要对电芯、连接器、控制器等各类零部件的质量进行严格筛选，确保其符合相关的标准和设计要求，只有高质量的零部件才能组装出可靠的电池包。
而对电池包进行各类测试检验则是验证其安全性能的必要手段。振动测试可以模拟车辆在行驶过程中因路面颠簸等情况产生的振动环境，检验电池包内部组件的连接牢固程度以及整体结构的稳定性，防止因长时间振动导致零部件松动、接触不良等问题；冲击测试则是模拟车辆遭受意外撞击时的冲击力，查看电池包的抗冲击能力以及碰撞保护结构是否能有效发挥作用；温度循环测试通过让电池包在不同的高低温环境下循环切换，考验其在极端温度变化下的性能表现和安全性，确保电池包在各种实际工况下都能稳定可靠地运行，为其最终应用到新能源汽车上提供有力的安全保障。
三、动力电池包工艺分析
（一）装配工艺
动力电池 PACK 的装配工艺与传统燃油汽车发动机装配工艺有着相似之处。在将动力电池包的各个部分组合成一个完整的总成时，需要依靠诸如螺栓、螺帽、扎带、卡箍、线束抛钉等连接件，把电池模组、电池管理系统（BMS）、热管理系统、电气系统以及机械系统这五大系统紧密连接起来。就好比搭建一座复杂的建筑，这些连接件就是那一颗颗 “螺丝钉”，让各个关键 “结构” 稳固地结合在一起，最终构成具备可靠机械强度的电池 PACK，为其后续在新能源汽车上正常发挥作用奠定基础。
（二）气密性检测工艺
由于动力电池 PACK 通常安装在新能源汽车座椅下方或者后备箱下方，直接与外界环境相接触，所以它必须具备良好的密封性。一旦密封性不佳，在车辆涉水或者遭遇潮湿等情况时，高压电与水接触，极有可能引发严重后果。气密性检测工艺在保障电池安全方面意义重大，它分为热管理系统级的气密性检测以及 PACK 级的气密性检测两个环节。按照国际电工委员会（IEC）起草的防护等级系统规定，动力电池 PACK 需要达到 IP67 等级。例如，上汽乘用车曾展示过其高等级气密性防护技术，把处于充电状态的整个 PACK 放在金鱼缸中浸泡 7 天，金鱼安然无恙，且 PACK 内也未进水，这充分体现了良好气密性的重要性以及相关检测工艺的价值所在。在实际检测过程中，先是要对电池包进行密封处理，随后通过专业的气密性检测设备，像气密性检漏仪，向电池包内部施加一定压力，并通过检测压力的变化来判断电池包是否存在泄漏情况。检测人员还会使用气密夹具卡爪和电池包快速连接，确保测试的准确性和效率。同时，检测参数如测试压力、允许泄漏量上限、充气时间、稳压时间、测试时间、排气时间等，都要依据电池包的具体设计和要求进行精确调整，综合分析这些参数后，才能准确判断电池包的气密性是否合格。
（三）软件刷写工艺
软件刷写工艺也被称作软件烧录或者软件灌装。在动力电池包中，这一工艺的关键操作是将 BMS 控制策略以代码的形式刷入到 BMS 中的 CMU（Cell monitor Unit，单体监控单元）和 BMU（Battery management Unit，电池管理单元）里面。在电池后续的测试以及实际使用过程中，电子控制单元能够对采集到的电池状态信息数据进行处理和分析，然后参照分析得出的结果，对系统内的相关功能模块发出对应的控制指令，最终实现向外界传递信息。可以说，软件刷写工艺赋予了动力电池包 “思考” 和 “应变” 的能力，让其能够根据不同的工况和电池状态，合理地调控自身工作状态，保障电池的安全、稳定运行，就如同给电池包安装了一个智能 “大脑”，时刻精准把控着各项运行细节。
（四）电性能检测工艺
电性能检测工艺属于产品下线之前必须要进行的检测环节。它涵盖了绝缘检测、充电状态检测、快慢充测试等多个方面。其中，静态测试部分包括绝缘检测，用于查看电池包各部分之间以及与外界之间的绝缘性能是否良好，避免出现漏电风险；充电状态检测能够准确知晓电池当前的电量情况以及充电的各项参数是否正常；快慢充测试则是模拟不同的充电场景，检验电池在不同充电速率下的适应性和安全性。动态测试则是通过恒定的大电流来对动力电池容量、能量、电池组一致性等参数进行评价。此外，还有 SOC（State Of Charge，电池剩余电量）调整环节，将电池 PACK 的 SOC 调整到出厂的规定 SOC 值。不同的公司虽然对于电性能检测参数有着各自定义的标准，但国家也出台了相关规定，比如《GB/T 31484-2015 电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》《GB/T 31486-2015 电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》等国标，为电性能检测提供了统一的规范和参照，以此确保每一个下线的动力电池包都能在电性能方面符合安全可靠的要求，保障新能源汽车的正常使用。
四、动力电池包结构安全设计与工艺的发展现状及趋势
（一）行业发展现状
近年来，随着全球对环境保护以及可持续发展的重视程度不断提高，新能源汽车行业蓬勃发展，作为其核心部件之一的动力电池 PACK 行业也备受瞩目，呈现出了一系列值得关注的发展现状特点。
从市场规模来看，全球范围内，2021 年动力电池 PACK 的市场规模就已超过 210 亿元。近两年全球新能源汽车领域驶入发展快车道，上游电芯、动力电池制造更是成为全球风口行业，这也带动了动力电池 PACK 市场价值的不断攀升。前瞻根据主流厂商动力电池的平均单位成本，结合全球动力电池出货量测算，2021 年全球动力电池 PACK 的市场规模约达到 217 亿元。而在中国市场，发展同样迅猛，2019 年我国动力电池 Pack 行业的市场规模已经达到了 873.69 亿元，2020 年进一步扩大至 1097.12 亿元。在新能源汽车持续发展的推动下，动力电池 Pack 行业不断壮大，预计后续市场规模还会继续扩大，如前瞻预计 2022 - 2027 年中国动力电池 PACK 行业将进入高速发展阶段，复合增长率超过 25%，2027 年中国动力电池 PACK 行业市场规模将超过 350 亿元。
在竞争格局方面，全球装机 TOP 10 榜单中，中国电池企业表现亮眼，占据了 6 席，累计全球市场份额占比过半，达到 51%，正加速蚕食日韩动力电池企业市场份额。其中，宁德时代一家独大，独占 32.1% 的全球份额，与第二名 LGES 市占率拉开了近 12 个百分点。同时，像比亚迪、中创新航、孚能科技、蜂巢能源等中国企业的全球市场占有率也在稳步提升。在国内市场，从企业竞争梯队来看，宁德时代、比亚迪等电池生产、整车制造企业营收规模较高，凭借在新能源领域的规模优势，在纵向一体化布局上更具实力，能为动力电池 PACK 业务争取到更多发展资源。而第三方 PACK 厂商大多聚集于第二和第三梯队，不过欣旺达在第三方 PACK 厂商中具备一定的规模优势。并且，车企自制的 PACK 份额超过 50%，显示出车企在动力电池领域逐渐增强的自制能力，弗迪电池和宁德时代更是凭借强大的竞争力占据了大部分市场份额。
从行业发展特点来讲，成本方面呈现出不断下降的趋势，根据高盛数据，2021 年电池 PACK 单位成本为 129 美元 / 千瓦时，较 2013 年降幅超 70%，尽管 2022 年受国际环境不确定性因素增多等影响，PACK 单位成本或许有回升，但整体下降走势不变，预计到 2025 年下降至 105 美元 / 千瓦时。技术上，正由传统 MTP 技术向 CTP、CTC 技术发展，例如方形、圆柱、软包这三种主流的动力电池封装方式各有优劣，行业也在不断探索改进，以更好地满足不同应用场景需求。同时，电池产品市场走势中，磷酸铁锂电池未来将赶超三元锂电池，2021 年，磷酸铁锂电池的全球市场份额约为 32% 至 36%，远低于三元电池 60% 以上的份额，但 TrendForce 在一份报告中预测，从 2024 年开始，磷酸铁锂电池的市场份额将超过三元锂电池，且磷酸铁锂电池主要由中国企业生产，韩国企业则专注于三元锂电池。总之，动力电池 PACK 行业在市场规模、竞争格局以及成本和技术等方面都处于动态变化且快速发展之中。
（二）未来发展趋势
展望未来，动力电池包结构安全设计与工艺在新能源汽车产业蓬勃发展的大背景下，有着诸多令人期待的发展趋势。
首先，在集成效率提升方面，行业将不断探索更紧凑、高效的集成方式。例如，CTP（Cell to Pack）和 CTC（Cell to Chassis）技术有望得到进一步完善和广泛应用。CTP 技术省去了传统模组环节，直接将电芯集成在电池包内，能够增加电池包的能量密度，提升空间利用率，减少零部件数量，进而降低成本；CTC 技术则更为激进，将电芯直接集成到汽车底盘上，使整车的结构更加简洁，重量更轻，不仅能提高生产效率，还能为车辆带来更好的续航表现和操控性能，让电池与整车的融合达到一个新的高度，实现真正意义上的一体化设计。
轻量化材料应用也将成为重要的发展方向。为了提高新能源汽车的续航里程以及减少能耗，电池包在保证结构强度和安全性的前提下，会越来越多地采用轻量化材料。比如，使用高强度铝合金来替代部分传统钢材制造电池包外壳，既能减轻重量，又能满足防护需求；还有在内部结构件上，选用高性能的复合材料，它们具备质量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点，可以有效降低电池包整体重量。此外，对于一些功能性材料，如新型的隔热、阻燃且轻质的材料，也会不断被研发和应用到电池包结构中，既能保障电池包的防火、隔热等安全性能，又不会增加过多重量负担。
智能化也是未来发展的关键趋势之一。随着人工智能、大数据等技术的不断进步，电池管理系统（BMS）将变得更加智能和精准。通过在电池包内布置更多高精度的传感器，实时收集电池的电压、电流、温度、内阻等多维度数据，并利用智能算法进行分析处理，BMS 能够提前精准预测电池的健康状态、故障风险等，实现对电池包的全生命周期管理。例如，当检测到某个电芯可能出现异常时，系统可以自动调整充放电策略，甚至提前通知车主进行维护，最大程度地保障电池包的安全稳定运行，同时也能优化电池的使用效率，延长使用寿命。
再者，随着新能源汽车市场的持续扩大以及对电池安全性要求的日益提高，电池包的安全设计标准将会不断升级。在结构上，会采用更多的冗余设计和多重防护机制，如增加防火、隔热、防撞等保护结构的层数和强度；在热管理方面，研发更高效、智能的冷却和加热系统，确保电池在各种极端环境下都能维持在最佳工作温度区间，防止热失控等安全事故的发生。总之，动力电池包结构安全设计与工艺在未来将围绕提升集成效率
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