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浅谈比亚迪刀片电池

2024-04-15 12:37   作者:佚名

自从比亚迪董事长王传福在2020年1月的电动汽车百人会上首次公布了刀片电池和3月29日的刀片电池发布会,关于刀片电池的消息满天飞,业界对刀片电池的讨论也多了,主要的观点有两种:一种是认为刀片电池没有什么新的创意,和宁德时代的CTP相似,只是比亚迪的营销噱头;另一种是认为刀片电池解决了许多磷酸铁锂的缺点,具有开创性意义。今天我们来讨论下比亚迪的刀片电池。

1.首先是什么是刀片电池?

传统电池系统是先把电芯组装成模组,再把模组安装到电池系统里面,进行分级管理。由模组的机械结构对电芯起到支撑、固定和保护的作用,再由电池系统对模组支撑、固定和保护的作用。

而刀片电池是一种全新的设计理念,在采用长电芯的同时,省去了中间模组环节,直接把电芯装到电池系统里面。这样重量和成本都有效下降,这一点和宁德时代的CTP有相似的地方。同时比亚迪电池结构设计借鉴了蜂窝铝板的原理,通过结构胶把电芯固定在两层铝板之间,让电芯本身充当结构件,来增加整个系统的强度。

我们再来看一下刀片电芯,拿市面上应用最广的C公司产品和刀片电芯对比。C公司产品的长度是148 mm、厚度是79mm、高度是97mm,内部结构是卷绕,看起来像一块板砖。刀片电芯长度是960mm,厚度是 13.5 mm,高度为 90 mm,内部结构是叠片。因其长而薄的形状酷似刀片,因此得名刀片电池。

2.刀片电池诞生背景

我们来看下这几年纯电动车电池材料的发展趋势,纵坐标是能量密度。在纯电领域,一直存在两条技术路线,三元和磷酸铁锂电池。三元电池由于能量密度高,被大部分车企选择,但是他有个缺点是成本高。相反磷酸铁锂成本较低,但是能量密度低。而且现阶段的磷酸铁锂能量密度已经快接近理论极限。而比亚迪是做磷酸铁锂电池出身,虽然现阶段比亚迪大部分纯电动车上已经使用了三元电池,但从未放弃磷酸铁锂这条技术路线。既然在材料方面不能突破能量密度,比亚迪的工程师就从系统集成做工作。

我们总结下电池系统集成发展规律。首先我们看下第一代电池包,是异形电池包,为了节省成本,采用了标准模组,但是成组效率都比较低。第二代电池包,也是异型电池包,为了提高成组效率,选择了和电池结构匹配的非标准模组,使成组效率有明显的提升。以上两种电池包都是基于传统乘用车平台。第三代电池包,多应用于纯电动车平台。有三种不同的发展趋势,但有一个共同点,都是平板的电池包,但分别应用了无模组技术、刀片电池技术和590标准大模组技术,成组效率再次有明显提升,其中刀片电池的提升是最高的。可以说刀片电池在电池材料不能突破更高能量密度的前提下,但是在电池系统集成方面有所突破,解决了磷酸铁锂电池续航较短的缺点,这也就是刀片电池诞生的背景。

3.刀片电芯的优势

LFP能量密度低这个缺点是不可避免的,比亚迪的工程师通过增长电芯长度,减少电芯结构冗余设计和电芯数量,能够有效的提高电芯的体积能量密度和电池包的体积能量密度,来提高车辆的续航里程。我们来看下比亚迪专利中公布的数据,不同电芯长度与电池包能量密度的关系,可以明显的发现,电芯长度从208增加至435mm的时候,能量密度没什么变化,但是长度增加至945mm,能量密度提升了10%。

刀片电芯还有一个优点,就是散热性能好。我们都知道电池对温度特别敏感,也是制约电池快充时间的主要原因,所以散热对电芯是一项很重要的指标。因为刀片电池具有较大的散热面和较薄的厚度,所以刀片电芯的散热性能较好。我们来看下比亚迪刀片电池专利公布的数据,不同厚度的电芯在刀片电池内部的温度仿真结果,我们可以明显的发现随着电芯厚度不断减小,电芯和电池包快充是的温升越来越小,散热性能越来越好。

以上两个优势给我们一个启发,比亚迪并行开发电池包和电芯,开发中进行多次设计仿真,不断优化电芯设计,使电芯最大程度的匹配电池,发挥电芯最大的性能,这也是比亚迪垂直整合的最大优势。

4.刀片电池的优势

1.电池能量密度提高

这点我们前面有提到过,刀片电池取消了模组设计,减少了很多结构件设计,同时上下箱体与电芯紧密连接,使体积能量密度有明显的提升,这也是比亚迪广泛宣传的体积能量密度提高50%。

2.低成本

取消了模组设计,优化了电池结构设计,电池二级零部件数量减少40%,并适用了低成本的LFP体系,有效降低了成本。

3.结构强

刀片电池在PACK设计在电芯的上下两面上,使用结构胶粘贴两块高强度的强度板,形成了类似蜂窝铝板的这种结构,使每一个电芯充当结构梁。传统电池包一般只有4-5根梁,而刀片电池是让每一个电芯都充当结构件,其强度可想而知。电池底部发生碰撞的时候,电芯可以直接承受一定范围的力。

4.热管理优异

看下示意图,刀片电池的液冷板布置在电芯上方,同时在电芯与电芯之间设计了导热层,这种方案的热交换面积比传统方型电芯大很多,能够有效的将电芯的热量传递给水冷板,再加上刀片电芯本来散热性能就好,所以刀片电池的热管里设计优异,能将电池内最大温差控制在1摄氏度内,而目前行业内普遍是5摄氏度。

5.平台化

刀片电芯是有不同规格的,长度可以在435~2500m之间变换,再加上是标准的平板式电池包,刀片电池可以根据整车空间,变化电池包X、Y方向的尺寸,开发不同规格的电池,这种平台化的电池有效地降低了开发费和时间。专利显示刀片电池方案至少有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,即有传统的底盘与箱体分离方案,也有二者集成为一体的集成底盘方案。

6.电池包高度低

有效改善了整车的人机工程。我们可以看左边的两个示意图。正常电芯的高压线束和温度、电压传感器都在电芯的上方,都要占据一定的空间,上箱体要与这些零部件保持至少5mm的距离,而刀片电池的高压线束和传感器都在电芯的Y方向,所以上箱体可以直接与电芯接触,这样使刀片电池可以比同样规格的电池高度节约10~20mm。比亚迪刀片电池高度的设计目标是乘用车105mm,SUV120mm。

5.刀片电池的缺点

任何新技术的推广,也不可免会有一些缺点,接下来我们来看下刀片电池的缺点。

1.绝对”安全“

我们都看了发布会上刀片电池和三元电池的针刺试验,可以明显的发现三元反应剧烈,刀片电池基本没什么反应。比亚迪借助针刺试验结果广泛宣传刀片电池的安全性。这样的说法是不严谨的。

针刺试验是模拟电池发生热失控之后的反应剧烈程度,刀片电池确实在针刺试验表现出一些优点,实验现象只能表明刀片电池的热失控触发的温度比三元电池高,热失控触发时间要比三元电池晚一点,但不能证明刀片电池不会发生热失控。而消费者对于电动车的安全认知是电动车零自燃,现阶段大部分的自燃都是由电芯热失控引起的,真正的安全是应该避免电池热失控的出现。

2.低温性能差

现在电动车普遍有冬季续航较短的缺点,而刀片电池是磷酸铁锂体系,它的低温性能更差,我们可以看下不同温度下磷酸铁锂和三元的低温放电电量数据,在-30℃时三元的放电容量为86%,磷酸铁锂仅有70%,这也是刀片电池需要面对的一个问题。

3.维修成本高

刀片电池所有电芯是通过结构胶固定在一起,意味着后期某个电芯坏了,需要维修的时候,只能通过整包更换维修,维修的成本较高。而传统电池包,可以通过替换模组就可以解决。

4.依赖性增强

比亚迪关于刀片电池自称有300个专利和核心工艺控制点,涉及到材料、电芯、电池和生产,所以主机厂对供应商的开发和生产有较强的依赖性,会对供应商管控和议价提高难度。

6.总结

通过对刀片电池的分析,刀片电池在当下的动力电池产业中扮演的更像是一个承上启下的角色。虽然刀片电池目前还存在许多缺点,但是通过1到2年的市场应用和技术迭代,能够不断改善这些缺点。

对现有的技术体系而言,刀片电池在保持不错的能量密度前提下,降低了电池的成本。对未来的技术体系而言,刀片电池提供了从结构上进行创新,让产业不必局限于材料创新带来的局限。但刀片电池仍然不是动力电池的最终解决方案,材料本身的性质决定了磷酸铁锂的局限性,它注定只是属于未来几年的技术路线。不过,无论如何,动力电池产业的每一次创新都将推动我们离汽车电动化的时代更近一步。

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