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解碼比亞迪刀片電池

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1708次  |  2020年03月31日  

其實(shí)(類似于)刀片電池的長(zhǎng)電芯-簡(jiǎn)化模組思路,在汽車業(yè)內(nèi)已經(jīng)受到大家的重點(diǎn)關(guān)注有一段時(shí)間了,而比亞迪的刀片電池可以說(shuō)是在這方面創(chuàng)新的一個(gè)集中體現(xiàn)。


不管是比亞迪的刀片電池,還是寧德時(shí)代的CTP(cell-to-pack,單體電芯到電池包)技術(shù),他們是有共性的,即:傳統(tǒng)上的電池包要層層集成電芯cell-模組module-電池包pack三級(jí),而通過(guò)刀片/CTP技術(shù)可以減少模組級(jí)的結(jié)構(gòu)件,并極大的簡(jiǎn)化電池包上的裝配支撐結(jié)構(gòu),使得整個(gè)電池包結(jié)構(gòu)明顯簡(jiǎn)化,從而形成了近似于電芯-電池包的兩級(jí)集成方法。與三級(jí)集成方法相比,在體積上提高50%集成效率是有可能的。


所以傳統(tǒng)電池包內(nèi)部一般長(zhǎng)的是什么樣子?


1)首先咱們先看一下電芯集成的模組


從以下兩圖,不難看出不論是基于方形還是軟包電芯的模組,其都包括了許多結(jié)構(gòu)件,比如低壓線束、端側(cè)板等(都有簡(jiǎn)化的可能),因此C-M(電芯到模組)的質(zhì)量集成效率常常有90%左右。

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而體積集成效率可以進(jìn)行簡(jiǎn)單估算:355模組的尺寸是:355*151*108,假如是基于方形電芯構(gòu)成的話其包括12個(gè)148*91*28的電芯。通過(guò)計(jì)算電芯總體積/模組總體積,可以得到C-M(電芯到模組)體積集成效率大約為78%,注意了,大有提升潛力空間哦。


典型軟包電芯模組示意圖,摘自沐風(fēng)網(wǎng)


典型方形電芯模組示意圖,摘自沐風(fēng)網(wǎng)


2)再看一般電池包的結(jié)構(gòu)


目前市面上常見的電池包很多基于小模組(比如355)+電池包內(nèi)各種固定件、支撐件得來(lái),模組結(jié)構(gòu)件+高壓連接+線束+固定件+支撐件+其它件當(dāng)然占據(jù)了相當(dāng)多的體積和質(zhì)量,所以集成效率不會(huì)太高,大家都希望可以進(jìn)一步的提高集成效率,在有限的質(zhì)量和空間中達(dá)到更高的電池包能量。

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在這里要大家注意,關(guān)于動(dòng)力鋰電池(包)來(lái)說(shuō),體積能量密度其實(shí)更重要,因?yàn)槌擞密嚨牡妆P空間有限,不能容納一個(gè)體積很大(尤其是z軸高度很高,在這里給z軸方向劃重點(diǎn))的電池包。越是關(guān)于底盤偏矮的轎車/跑車這個(gè)要求越突出(低矮的車更“性感”,符合當(dāng)下汽車設(shè)計(jì)的方向)。因此假如我們要討論集成效率提升的話,體積利用效率是最直接最有效的研究判斷指標(biāo),而不是只執(zhí)著于常見的質(zhì)量能量密度Wh/kg。


典型電池包結(jié)構(gòu)示意圖


奧迪e-tron電池包結(jié)構(gòu)


注意橙色的線束占據(jù)的體積


刀片電池技術(shù)關(guān)于電池包體積能量密度的提升


那么在這里,大家可以看看刀片電池(電芯+電池包)的樣子,最簡(jiǎn)單的就是直接把比亞迪申請(qǐng)的幾個(gè)專利下載一下,看看他們放的原圖和說(shuō)明(其實(shí)讀一下就發(fā)現(xiàn)人家放圖和說(shuō)明已經(jīng)很詳細(xì)啦,我們只要搬運(yùn)+整理出重要內(nèi)容就可以)


BYD專利中給出的典型的基于刀片電芯做成的電池包結(jié)構(gòu)示意圖


比較之后,我們可以直接總結(jié)一下刀片電池(包)解決方法可以有效提高體積能量密度的原因:


1)單體電芯長(zhǎng)條化-大電芯化帶來(lái)的更高能量密度


這倒不是什么太新奇的思路,為了提高能量密度,本來(lái)大電芯就是公認(rèn)的發(fā)展方向。當(dāng)然,電芯做到多大是“比較科學(xué)的最大”,安全性如何,冷卻怎么保證,這是要進(jìn)行仔細(xì)平衡優(yōu)化的。


2)單體電芯長(zhǎng)條化,兩端出極耳的設(shè)計(jì)使得電池包高度z軸方向利用率可以明顯提高


在這里,之前BatteryPack發(fā)表的《比亞迪的刀片電池為何能提高50%的能量密度?》一文已經(jīng)給出了非常直觀的基于模組的示意圖說(shuō)明和計(jì)算分析,即:“1100mm,長(zhǎng)度在1600mm。下面回顧一下小學(xué)知識(shí),以150mmZ向高度來(lái)說(shuō),Z向多利用1mm,整個(gè)體積利用率就多提高0.67%。Y向多利用1mm,整個(gè)體積利用率才提高不到0.1%,X向就更小了。所以新增卷芯在Z向的尺寸是最重要的,也是刀片電池在PACK層級(jí)體積能量密度提高的重要原因。”


刀片電池(芯)在z向更好的空間利用率


圖片摘自公眾號(hào)BatteryPack


而在這里,我們可以把上文中電芯/模組示意進(jìn)一步外推放大到電池整包來(lái)比較一下,大家可以更直觀的感受到體積利用率的明顯提高。


傳統(tǒng)電池包z軸剖面空間利用示意圖


刀片電池包z軸剖面空間利用示意圖


3)沿車體寬度空間利用率的提高


繼續(xù)剛才一部分的分析:實(shí)際上不僅z軸,沿剖面的寬度方向的利用率提高幅度也應(yīng)該是不小的:沿寬度方向可能就只有兩個(gè)電芯(長(zhǎng)度可能是600-1000mm),甚至只有一個(gè)電芯布局。其實(shí)這樣的設(shè)計(jì)理念有點(diǎn)“大模組”的意思,其實(shí)也是目前很多OEM技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。


4)模組結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化


傳統(tǒng)的模組為了保證其作為一個(gè)獨(dú)立的單元具有良好的力學(xué)性能,要側(cè)板端板等防護(hù)結(jié)構(gòu),因?yàn)槎嗉?jí)集成也要低壓線束、高壓連接等電氣元件。在使用刀片電芯技術(shù)后,這些結(jié)構(gòu)可以得到極大的簡(jiǎn)化,但是遺憾的是,因?yàn)锽YD沒有放出官方的更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)示意圖,這里只能參考傳統(tǒng)模組結(jié)構(gòu),再基于刀片CTP的特點(diǎn)進(jìn)行推理。但是不難推斷:在體積利用方面,只在這一個(gè)環(huán)節(jié)從傳統(tǒng)的78%(前面計(jì)算得到值)提升到90%以上完全是有可能的(這就是10+%的提升)。


5)電池包整體結(jié)構(gòu)/元件需求極大的簡(jiǎn)化


相對(duì)更為簡(jiǎn)單的電芯結(jié)構(gòu)和集成方法使得電池包固定件+防護(hù)結(jié)構(gòu)件等用量明顯減少使得制造更容易、成本更低、集成效率更高。關(guān)于刀片電池集成的電池包,方形剛性外殼的電芯本身較長(zhǎng)的長(zhǎng)度就可以承擔(dān)/分擔(dān)一部分系統(tǒng)的力上的支撐,從而減少電池包系統(tǒng)層級(jí)上要的機(jī)械加固結(jié)構(gòu)需求;更大尺寸的電芯/近似模組的設(shè)計(jì)使得在電池包等級(jí)上的裝配生產(chǎn)復(fù)雜度和成本明顯降低,質(zhì)量和體積上更緊湊,利用率肯定更高。更加一體化的設(shè)計(jì)理念也可以很好的提高水冷、加熱等元件的集成度。


而基于相對(duì)規(guī)整的電芯做出的電池包外形也會(huì)在體積上更為規(guī)整緊湊,更多的處于汽車碰撞中的安全區(qū)內(nèi),這關(guān)于電池包殼體的撞擊保護(hù)的需求也會(huì)帶來(lái)降低,從而形成一個(gè)電池包緊湊化-置于更安全的位置-可以更少使用力學(xué)保護(hù)結(jié)構(gòu)-使電池包結(jié)構(gòu)近一步緊湊化的正反饋循環(huán)。


基于以上幾點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)疊加,假如每一個(gè)因素都能提高10%左右,不難看出相比于傳統(tǒng)電池包,基于刀片電池單體的電池包的體積利用率完全有可能提高4050%。


刀片電池技術(shù)+磷酸鐵鋰的電池包基本數(shù)據(jù)性能與三元電池相比有競(jìng)爭(zhēng)力嗎?


更進(jìn)一步的,我們可以試著推理一下(半定量,不能保證數(shù)據(jù)足夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)强晒﹨⒖迹┢浠诘镀姵?磷酸鐵鋰化學(xué)體系能達(dá)到的電芯級(jí)與電池包級(jí)的能量密度,以及其與目前典型的三元電池包的比較。不難看出,基于刀片電池技術(shù),磷酸鐵鋰離子電池系統(tǒng)完全可以在能量密度上與現(xiàn)在市面上主流的三元電池相匹敵,在乘用車細(xì)分市場(chǎng)中打開更廣闊的天地。而且不要忘記,磷酸鐵鋰電芯本身成本就更低,而體積能量密度提高來(lái)自于電池包等級(jí)上結(jié)構(gòu)部件的節(jié)省,這也會(huì)進(jìn)一步的使成本更加有競(jìng)爭(zhēng)力。


*刀片電池(質(zhì)量基于80%集成效率,體積基于傳統(tǒng)三元電池包集成效率45%的1.5倍為67%估計(jì))


典型的刀片電池包的電芯堆疊情況示意圖


挑戰(zhàn)?


當(dāng)然刀片電池也不是完全只有優(yōu)點(diǎn),也會(huì)帶來(lái)一些技術(shù)上的挑戰(zhàn):比如新型長(zhǎng)電芯是一個(gè)類似于COMBOMODULE的設(shè)計(jì)概念,是一個(gè)電芯里面套幾個(gè)卷芯再用隔間隔開的結(jié)構(gòu);多個(gè)注液口的注液密封、多個(gè)卷芯等帶來(lái)的一致性控制的難度;這種更長(zhǎng)/大電芯的安全性可能會(huì)更加有挑戰(zhàn)(假如做的是鐵鋰倒是可以被磷酸鐵鋰的本征安全性抵消一部分)。


但是總體來(lái)說(shuō),這關(guān)于每一點(diǎn)能量密度上升、成本下降都不容易的動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域來(lái)說(shuō),這就是一個(gè)很大的創(chuàng)新:創(chuàng)新并不是僅限于電化化學(xué)體系上,電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成同樣十分重要甚至有可能有更多潛力可挖。也希望行業(yè)內(nèi)的同仁們一起努力,共同進(jìn)一步推動(dòng)動(dòng)力鋰電池技術(shù)的發(fā)展。

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