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储能科学与技术

比亚迪刀片电池与GCTP技术

2020-1-14 15:35| 发布者: admin| 查看: 185| 评论: 0

摘要: 比亚迪的刀片电池即长电芯方案(主要指方形铝壳),是一种通过增大电芯的长度(最大长度与电池包宽度相当),将电芯扁长化设计,来进一步改进电池包集成效率的技术。它不是某一个特定尺寸的电芯,而是基于不同需求可 ...

比亚迪的刀片电池即长电芯方案(主要指方形铝壳),是一种通过增大电芯的长度(最大长度与电池包宽度相当),将电芯扁长化设计,来进一步改进电池包集成效率的技术。它不是某一个特定尺寸的电芯,而是基于不同需求可形成不同尺寸的一系列电芯,具体形状如下:

正负极在两端,两端(或一端)都有防爆阀,有点软包两端出极耳+方形铝壳综合的感觉。相对于已有方形铝壳电芯方案,这个电芯最明显的优势在于散热效果好,难点在于整个电芯的结构稳定性,内阻,注液等,尤其是结构强度方面,在后面的CTP方案中,电芯需要依靠自身来实现支撑。

对于此,比亚迪主要是通过成型工艺、结构设计等方面的改进提高外壳的支承强度,同时将外壳的长宽比控制在预定范围内。此外,通过集流路径的优化等方式降低单体电池的内阻,还可辅以注液工艺的改进,解决单体电池尺寸较长带来的注液时间较长的问题。

对于比能,还没有明确的一个信息,专利中也没有透露,不过,根据比亚迪昨天的一次讲演,可以大概推断出整体的一个比能趋势。

接下来,我们从专利来重点看下比亚迪的CTP方案。

(1)结构上,下图是一种CTP方案的组成爆炸图。

可以看出,单排电芯,直接铺在底板上,电芯的两端固定在端板上,由两端边框提供对电芯提供支撑,为了增加支撑力,可以在底板上增加一个支持台阶;在电池包边框与电芯大面之间有缓冲板(侧板),对电芯提供夹紧力。这个方案中没有纵横梁,也可以增加纵横梁或阻燃隔热垫之类,这样形成多个子模组,如下:

比亚迪似乎是计划用电芯自身的强度来实现自支撑,同时再依靠集成后的电芯强度来增加整个电池包的结构强度,即电芯与箱体紧紧结合为一体。这个有待最后的产品检验,对电芯壳体的强度要求很高啊。

(2)热管理

比亚迪对CTP给出了两种冷却方案,上图展示的为液冷设计。该方案是把水冷板放在整个电池包的上面,与模组顶板的直接接触,对电芯侧面窄边进行冷却;为提高导热效率,模组顶板与电芯侧面之间有导热板(可能导热胶或导热垫更合理),整个包的温度差控制在1℃以内。水冷采用U形水道设计或并行设计。

与此同时,电芯的另一侧面与模组底部之间有隔热层,以隔绝电芯与外界的热交换,起到保温作用,可采用保温棉。

这个图也可以看出比亚迪CTP热失控的基本思路,正对着防爆阀设计进气孔,将热失控发生后的气体、火焰等引导到排气通道,经排气通道排向周围环境。另外有多个模组的,模组之间会形成物理隔离;整个电池包的外面应该还会有平衡防爆阀;这个思路与Model S的设计比较一致,难点在于IP67,热失控通道的进水腐蚀问题。

另外一个为风冷设计,同样是在电池包上面设置风道,如下所示。

风道位于电池上盖与车底盘之间,设计有导热翅片,用于增强上盖的散热面积,以提高导热板与单体电池之间的热传导效率,底板和电芯之间设置有导热绝缘层,增大底部散热。

无论是液冷还是风冷,所在的位置都是在电池包的上面,即介于电池包与车底盘之间,这个方案之前从没有见过,不知如何处理电池包与车身的紧固,另外风冷还要处理好进风口的问题。

(3)CTP的方案配置

从专利来看,比亚迪CTP的方案在8种以上,对应于不同尺寸电芯和不同的布置,也考虑到了双层电芯的方案;对于箱体的集成,CTP会有传统的车底盘与箱体分离的传统方案,也有二者集成为一体的集成底盘方案。

整个设计中,还缺少另外一个核心的电连接及高压配电方案。电连接应该会利用FPC技术,这块比亚迪走得也比较早,高压配电可能会利用下面红圈圈的空间,有点类似奥迪e-tron的思路,以及前端空中来的一块空间,见上面第4个图,类似于Model S。

我个人感觉比亚迪的这个CTP思路做得比较漂亮,可拓展和迭代性更强些,唯一遗憾的是还没看到把整车其他部分集成进来,这点是比亚迪比CATL能够取得的一个优势。

以上是我们可以从专利中所了解到的一个总体概括。从昨天分享上PPT可以看出,比亚迪CTP(貌似称之为GCTP)的集成效率能够达到86%以上,除了大模组方案外,另有提到了用胶粘剂取代结构件的成组形式;除了功能集成铝托盘(我个人感觉水冷设计还是有可能放到电池包底部),还有功能集成复合材料托盘。这里要引起足够重视,因为所点出的两个方案趋势,均是具有对部分上游供应链颠覆的走向:即胶接取代焊接等,复合材料取代金属材料,这对搞结构件,箱体,焊接,成型设备的企业来说是重创。目前,还不知道这个趋势有多快,在比亚迪内部又有多少的比例在更换。

比亚迪的这一套CTP技术信息量不少,我简单梳理下我认为的要点(电芯内部除外):

(1)大电芯,大模组,电芯壳体材料/工艺是个有新技术需求的地方;

(2) CTP结构上,电芯如何固定是难点;

(3)CTP热管理上,首次提出了电池包顶部冷却的设计,导热胶、保温棉之类的是增量所在;

(4)CTP热失控上,方案的可靠性不太好(这个方案已经有失效案例),可能会需要更多的PACK防爆阀;

(5)连接工艺上,高强度结构胶可能是未来增量所在;

(6)多功能复合材料箱体的产业化应该会加速,对搞材料的来说是好事。


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