日产聆风拆解调研：锂离子电池包的结构解析

日产聆风　锂离子电池

  继上篇最新款聆风的电机和驱动系统拆解调研报告之后，本报告将介绍电池系统的拆解分析。聆风自上市以来，始终采用Automotive Energy Supply Corporation (AESC) 公司的电池，并进行过升级。该电池系统与聆风一起不断取得进步和成熟。本报告还将一览其技术的变迁。

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电池包参数

（尺寸包括边缘和连接的腿部）

　从第一代聆风开始，电池一直安装在地板下方。电池包的大小基本不变，但充电后总电量实现飞速提升。从2010年24kWh（初期）→2015年30kWh（车型微改）→2017年40kWh（车型全改），实现了改良。

电池包配套空间。电池包安装后，下面与车身骨架几乎处于同一水平面。数条偏黑色的带状物是电池包与车身钢板之间的缓冲材料。最上方中央的小窗是从车厢内操作维修插头（*注）的开孔。橙色的高压电缆连接至电池包。	拆下的电池包。正前方3条“腿”（后方相应位置也有）用于将电池包固定在车身上。为了确保车厢内后排座的腿部空间，中央部位内凹。凹陷中央的白色部分连接维修插头（*注）。箭头所指部位是对电池包内外空间进行通风的透气孔。

　电池包整体采取防水的结构。透气孔（图中箭头所指的面板上有2个）、3个电力系统连接器以及位于上方的维修插头（*注）的安装部位虽然在外部有开口，但采取了严密的密封。（参考下述电池包外壳的部分）
　电池列进行了分割，各部分分别被称为模块组。

（*注） 前方高电压部分的电路按照以下顺序连接：连接外部的电源 (+) 连接器 ↔ 主继电器1 ↔ 后模块组 ↔ 维修插头 ↔ 前模块组（左）↔ 同（右）↔　主继电器2 ↔ 连接外部的电源(-) 连接器。紧急时刻系统会瞬间切断主继电器1和2。维修插头用于车辆维护和拆解，拆除车厢内盖后，如果不按照三个步骤实施就无法拆除。

取下电池包上盖后的情况。搭载多个电池模块，正前方2/3称之为前模块组（分左右两部分）、后方一排模块组称之为后模块组。电芯的配套方式分别是前模块组采用水平（平铺）、后模块组采用垂直（纵置）方式。	各构成件的名称与位置如图所示。各线束名称采用日产的称呼。

　接线盒（左上图）安装了2个主继电器等部件。高电压线束向驱动电机Power Delivery Module（PDM）分配电力，车辆通信线束与Vehicle Control Module（VCM）之间是进行CAN通信的端子。

　电池温度传感器如图所示安装在3个地方，为NTC热敏电阻（温度上升后电阻就会下降的元件）。电池可发挥性能的温度范围有最低和最高限制。测定的温度数据传输至电池控制器。

　电流传感器安装于维修插头正前方，内置不同特性的2个元件。通过铁芯部分（图中黑色长方体）检测电流形成的磁场，产生电压。通过其电流值的累加等计算电池充放电状态（SOC＝State Of Charge）（*注）。
（*注）电池SOC对各个电芯进行单独测定。

电池模块规格

（长度不包括端子的突起部分）

　从第一代聆风开始，模块结构历经数次改良。最新的模块结构可以说是集大成之作。第一代的设计在接近封闭式结构的牢固金属壳体内放置4个电芯。后来终于在侧面开了较大的口，容纳下8个电芯，随着每次开展轻量化开发，电池包容量的蓄电量都有所增加。

拆下模块上盖板后的状态	拆下的上盖板 (贴合电芯一面的视角)	参考：第一代模块 (资料：日产汽车官网)

　最新模块内置8个电芯（有2个2排2列的单元）。每个单元的电动势约为14.6V，相当于铅电池的水平。这些电芯通过粘合剂贴合在一起。中间夹层是树脂板(黑色)，并采用金属盖罩。用螺钉固定后，模块与内部电极处于加压的状态。

电芯之间无间隙，螺钉固定后相互之间处于加压紧密结合的状态。	上盖板与电芯紧密接触的一面的树脂板（黑色）通过粘合剂（内侧白色部分）进行固定。电芯表面也有粘合剂（中央哑光的部分）。

　电池包不具备强制冷却装置，但模块的组装工艺实现了冷却功能。也就是通过对热传导性较好的层压式电芯进行加压，可防止电芯内部局部积蓄热量，产生的热量能迅速传递至模块外围。电芯内部电阻较小，加上使大型大热容量电池在高负荷情况下的温度缓慢上升，实现自然空冷的方式。

电池电芯规格

电芯结构相关说明请参考下图。
正极材料请参考下表《日产汽车量产BEV电池的变化》。

  负极材料石墨采用碳原子层积的结构。各层之间的结合力较差，使得锂离子能进入各层之间，起到电极的作用。

掀起粘合的电芯后的状态。切断和重叠薄膜状的正、负极和隔膜，夹在层压薄膜中间密封，被称为层压式，是小型简洁的结构。	从电极一侧观察该电芯。电芯的电极片还夹在外部电极之间。

  本次车型全改 (FMC）中，对电池最大的改良就是改良了电芯正极材料、减低了内阻

(1) 层压结构 三元材料的应用
  旧款车型的尖晶石结构（*注）相比原先锰-镍类材料是有了很大的转变。（请参考下表《日产汽车量产BEV电池的变化》）
  （*注）尖晶石结构：像立体方格铁架那样的格子结构，锂离子在内部流动。

(2) 降低内阻
  根据日产汽车公告，上述电极改良及电解液的改良等使得单位容量的内阻减半。这是扩大容量的同时还保持电池自然冷却方式的重要特性提升（*注）。
  （*注）电池的放热是化学反应放热与电流阻力产生的放热的总和。锂离子电池的化学反应放热较小，以电阻产生的放热为主，因此降低内阻能有效降低电池的放热。

日产汽车量产BEV电池的变化

电池包

电池电芯

  硬碳的碳层不会整齐地层积，层与层之间空隙较大，适合锂离子的流动。但是，由于其制造难、放电时电压低等问题，没有得到普遍应用。

  如上表所示，电池历经3次改良，提高了性能。每次使用的正极材料都不同。正极材料的具体变化情况如下:

LiCoO₂ （钴酸锂，层状结构）

　同时应用于Prairie Joy EV、Renaissa EV、Altra EV
　应用于第一代锂离子电池。层状结构简单来说就是指平面的氧层与锂离子层以及钴层三种元素纵向层压的结构。该结晶结构并非牢固的结构，加上钴的成本较高，因此开始摸索采用其他材料。

（资料： Prairie Joy销售目录 1997年5月）

LiNiO₂ （将上述材料中的钴替换为镍的尝试，层状结构）

　日产、NEC没有采用
　保持层状结构不变，将钴改为镍，尝试着降低成本。但是存在诸多问题，例如镍会混入锂层、电池容量低下、镍混入锂等。因此仅停留在部分替换（钴-镍混合）以及向替换为锰的三元电池过度的阶段。

LiMn₂O₄ （锰酸锂，尖晶石结构）

　NEC-TOKIN全球首次正式推出产品
　采取了比层状结构更稳定的尖晶石结构，充电时即使发生锂侵入，尺寸也不会发生变化。此外，相比钴和镍，在成本方面也具有优势。NEC从1996年起正式推出产品，但是未应用于汽车。

LiMn₂O₄ + LiNiO₂ （在上述材料中新增镍进行改良，尖晶石结构）

　应用于第一代聆风
　聆风的电池采用日产与NEC集团的合资公司—AESC制造的电池。因此NEC-TOKIN的技术反映在AESC的电池中。上述锰酸锂容易将电解液进行电解（容量低下，会产生气体），因此如何实现大容量、长期使用，成为有待解决的问题。然而，通过适量添加镍元素，可抑制容量低下，因此正式作为量产BEV的正极进行采用。

LiNi_xMn_yCo_zO₂ （钴追加＝也就是三元类，层状结构）

　全新应用于第2代聆风
　现有聆风需要进一步增加电池容量，因此采用了能高密度积蓄锂离子的层状结构。材料采用三元类，层状结构的不足之处通过优化电芯各部分的设计，已逐步克服，实现能量密度的增加，并于2017年起应用于聆风。

　BEV的电池包并不是单纯的容器，而是大型结构件和重量物。如果不能防止电池进水和撞击，就会为车辆、乘客带来重大的危险，因此作为汽车组件，需要符合新的开发要求。

作为大型结构件的构成

　外壳分为上下两部分，将高张力钢板（抗拉强度较高的钢材）进行冲压成型，内部焊接和固定了多个结构部件。整体由电池包下方的3根牢固的支柱支撑，合计在车身上安装了6条“腿”。内置电池后，上盖的贴合面就会贴上密封件，用螺钉固定。

上侧外壳（盖）的反面。贴合面上会贴上一圈黑色的密封件。	下侧外壳的反面。纵向和横向的梁呈T字形，上面固定各电池模块组主板。

  模块安装在各模块组的主板上，主板固定在下侧外壳上（图片是前模块组）。

  内部的多个结构部件与外部的“腿”如下图所示。

内部电池的保护

  当遭受事故等强烈冲击力时，首先车身骨架将承受其力量，但外壳本身也采用强化和吸收冲击力的结构。

电池包外壳侧面与模块之间的空隙约为50mm。作为发生侧面碰撞时避免对电池造成损伤的缓冲区来说非常重要。	电池包下面有3根粗梁，横向安装。

  外壳还采取了细致的防水处理。

  上下壳体的贴合面黏贴了一圈密封件。一旦剥除就无法再次使用。

连接器主板取出部位的多根螺钉、螺柱贯通外壳。这样的部位反面涂上了密封剂（图片中亮灰色的部分）。		维修插头连接部位有成型密封件，包围着6根螺钉，与上侧外壳紧密连接，防止螺柱部位进水和进灰尘。

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关键词
拆解、日产、聆风、LEAF、EV、电池、锂离子电池

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