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储能科学与技术

为什么比亚迪刀片电池技术能明显提高动力电池包能量密度?

2020-2-16 14:10| 发布者: admin| 查看: 179| 评论: 0

摘要: 作者简介:刘冠伟,博士毕业于清华大学材料系,从事动力电池研究开发工作多年,目前就职于某外资车企电芯开发部门。 其实(类似于)刀片电池的长电芯-简化模组思路,在汽车业内已经受到大家的重点关注有一段 ...

作者简介:刘冠伟,博士毕业于清华大学材料系,从事动力电池研究开发工作多年,目前就职于某外资车企电芯开发部门。

其实(类似于)刀片电池的长电芯-简化模组思路,在汽车业内已经受到大家的重点关注有一段时间了,而比亚迪的刀片电池可以说是在这方面创新的一个集中体现。不管是比亚迪的刀片电池,还是宁德时代的CTP (cell-to-pack,单体电芯到电池包)技术,他们是有共性的,即:传统上的电池包需要层层集成——电芯cell-模组module-电池包pack三级,而通过刀片/CTP技术可以减少模组级的结构件,并极大的简化电池包上的装配支撑结构,使得整个电池包结构明显简化,从而形成了近似于电芯-电池包的两级集成方案。与三级集成方案相比,在体积上提高50%集成效率是有可能的。

所以传统电池包内部一般长的是什么样子?

1) 首先咱们先看一下电芯集成的模组

从以下两图,不难看出不论是基于方形还是软包电芯的模组,其都包括了许多结构件,比如低压线束、端侧板等(都有简化的可能),因此C-M(电芯到模组)的质量集成效率常常有90%左右。

而体积集成效率可以进行简单估算:355模组的尺寸是:355*151*108,如果是基于方形电芯构成的话其包括12个148*91*28的电芯。通过计算电芯总体积/模组总体积,可以得到C-M(电芯到模组)体积集成效率大约为78%,注意了,大有提升潜力空间哦。

典型软包电芯模组示意图,摘自沐风网

典型方形电芯模组示意图,摘自沐风网

2) 再看一般电池包的结构

目前市面上常见的电池包很多基于小模组(比如355)+电池包内各种固定件、支撑件得来,模组结构件+高压连接+线束+固定件+支撑件+其它件当然占据了相当多的体积和质量,所以集成效率不会太高,大家都希望可以进一步的提高集成效率,在有限的质量和空间中达到更高的电池包能量。

在这里需要大家注意,对于动力电池(包)来说,体积能量密度其实更重要,因为乘用车的底盘空间有限,不能容纳一个体积很大(尤其是z轴高度很高,在这里给z轴方向划重点)的电池包。越是对于底盘偏矮的轿车/跑车这个要求越突出(低矮的车更“性感”,符合当下汽车设计的方向)。因此如果我们要讨论集成效率提升的话,体积利用效率是最直接最有效的研究判断指标,而不是只执着于常见的质量能量密度Wh/kg。

典型电池包结构示意图

奥迪e-tron 电池包结构,注意橙色的线束占据的体积

刀片电池技术对于电池包体积能量密度的提升

那么在这里,大家可以看看刀片电池(电芯+电池包)的样子,最简单的就是直接把比亚迪申请的几个专利下载一下,看看他们放的原图和说明(其实读一下就发现人家放图和说明已经很详细啦,我们只需要搬运+整理出主要内容就可以)

BYD专利中给出的典型的基于刀片电芯做成的电池包结构示意图

对比之后,我们可以直接总结一下刀片电池(包)解决方案可以有效提高体积能量密度的原因:

1) 单体电芯长条化->大电芯化带来的更高能量密度

这倒不是什么太新奇的思路,为了提高能量密度,本来大电芯就是公认的发展方向。当然,电芯做到多大是“比较科学的最大”,安全性如何,冷却怎么保证,这是需要进行仔细平衡优化的。

2) 单体电芯长条化,两端出极耳的设计使得电池包高度z轴方向利用率可以明显提高

在这里,之前BatteryPack发表的《比亚迪的刀片电池为什么能提高50%的能量密度?》一文已经给出了非常直观的基于模组的示意图说明和计算分析,即:“1100mm,长度在1600mm。下面回顾一下小学知识,以150mm Z向高度来说,Z向多利用1mm,整个体积利用率就多提高0.67%。Y向多利用1mm,整个体积利用率才提高不到0.1%,X向就更小了。所以增加卷芯在Z向的尺寸是最重要的,也是刀片电池在PACK层级体积能量密度提高的主要原因。”

刀片电池(芯)在z向更好的空间利用率,

图片摘自公众号BatteryPack

而在这里,我们可以把上文中电芯/模组示意进一步外推放大到电池整包来对比一下,大家可以更直观的感受到体积利用率的明显提高。

传统电池包z轴剖面空间利用示意图

刀片电池包z轴剖面空间利用示意图

3) 沿车体宽度空间利用率的提高

继续刚才一部分的分析:实际上不仅z轴,沿剖面的宽度方向的利用率提高幅度也应该是不小的:沿宽度方向可能就只有两个电芯(长度可能是600-1000mm),甚至只有一个电芯布局。其实这样的设计理念有点“大模组”的意思,其实也是目前很多OEM技术发展的一个方向。

4) 模组结构的简化

传统的模组为了保证其作为一个独立的单元具有良好的力学性能,需要侧板端板等防护结构,因为多级集成也需要低压线束、高压连接等电气元件。在使用刀片电芯技术后,这些结构可以得到极大的简化,但是遗憾的是,因为BYD没有放出官方的更详细的结构示意图,这里只能参考传统模组结构,再基于刀片CTP的特点进行推理。但是不难推断:在体积利用方面,只在这一个环节从传统的78%(前面计算得到值 )提升到90%以上完全是有可能的(这就是10+%的提升)。

5) 电池包整体结构/元件需求极大的简化

相对更为简单的电芯结构和集成方案使得电池包固定件+防护结构件等用量明显减少使得制造更容易、成本更低、集成效率更高。对于刀片电池集成的电池包,方形刚性外壳的电芯本身较长的长度就可以承担/分担一部分系统的力上的支撑,从而减少电池包系统层级上需要的机械加固结构需求;更大尺寸的电芯/近似模组的设计使得在电池包等级上的装配生产复杂度和成本明显降低,质量和体积上更紧凑,利用率肯定更高。更加一体化的设计理念也可以很好的提高水冷、加热等元件的集成度。

而基于相对规整的电芯做出的电池包外形也会在体积上更为规整紧凑,更多的处于汽车碰撞中的安全区内,这对于电池包壳体的撞击保护的需求也会带来降低,从而形成一个电池包紧凑化->置于更安全的位置-> 可以更少使用力学保护结构 -> 使电池包结构近一步紧凑化的正反馈循环。

基于以上几点的优势叠加,假如每一个因素都能提高10%左右,不难看出相比于传统电池包,基于刀片电池单体的电池包的体积利用率完全有可能提高40~50%。

刀片电池技术+磷酸铁锂的电池包基本数据性能与三元电池相比有竞争力吗?

更进一步的,我们可以试着推理一下(半定量,不能保证数据足够严谨但是可供参考)其基于刀片电池+磷酸铁锂化学体系能达到的电芯级与电池包级的能量密度,以及其与目前典型的三元电池包的对比。不难看出,基于刀片电池技术,磷酸铁锂电池系统完全可以在能量密度上与现在市面上主流的三元电池相匹敌,在乘用车细分市场中打开更广阔的天地。而且不要忘记,磷酸铁锂电芯本身成本就更低,而体积能量密度提高来自于电池包等级上结构部件的节省,这也会进一步的使成本更有竞争力。

*刀片电池(质量基于80%集成效率,体积基于传统三元电池包集成效率45%的1.5倍为67%估计)

典型的刀片电池包的电芯堆叠情况示意图

挑战?

当然刀片电池也不是完全只有优点,也会带来一些技术上的挑战:比如新型长电芯是一个类似于COMBO MODULE的设计概念,是一个电芯里面套几个卷芯再用隔间隔开的结构;多个注液口的注液密封、多个卷芯等带来的一致性控制的难度 ;这种更长/大电芯的安全性可能会更有挑战(如果做的是铁锂倒是可以被磷酸铁锂的本征安全性抵消一部分)。

但是总体来说,这对于每一点能量密度上升、成本下降都不容易的动力电池领域来说,这就是一个很大的创新:创新并不是仅限于电化化学体系上,电芯结构设计、系统集成同样十分重要甚至有可能有更多潜力可挖。也希望行业内的同仁们一起努力,共同进一步推动动力电池技术的发展。

参考文献:

CN201910544929-电池包、车辆和储能装置-申请公开

CN201911011713-一种锂离子电池、电池模组、电池包及汽车-申请公开

CN201911012284-一种电池、电池模组、电池包和电动车-申请公开


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