动力电池为啥非要小电芯成组,不直接做大电池续-来自大家的想法
在前几天的一篇文章中,我们简单地探讨了一下“动力电池为啥不直接做个大的,而要用很多小的组起来”的问题,详见以下知圆超链接:
动力电池为啥不直接做个大的,而要用很多小的组起来
在文章中,我们给出了一种解释,那就是电动汽车的驱动电机需要一定的功率(常见的在30-100KW左右)才能驱动弯带电动汽车正常行驶,而功率P=UI(电压电流),为了避免驱动电流太大,导致车辆的电线又粗又硬,所以动力电池一般提高电压,来降低电流,在电压和电流之间做一个折中的选择。现实中,一般电动汽车的动力电池设计电压为300-400V左右。
GBT31466电动汽车高压系统电压等级规定
以一个功率80KW的车计算,当动力电池电压为100V时,所需要的电流大小约为I=P/U=801000/100=800A
铜导线载流量之设计规范
按电工相关设计规范,取铜导线每平方mm的载流量为5A,那么所需的电线导体的截面积为S = I/5 = 800/5 = 160平方毫米,查得某新能源汽车专用XLPE屏蔽电缆的供应商数据手册,可以看到其能提供的最大的规格为120平方毫米,真是尴尬。其实即便有这样的电线,也会又粗又硬,在电动汽车上根本没法使用。同时,电线所使用的铜也是属于贵金属,成本高昂,另外就是这么大的电流,会导致整个回路中的元器件都得把电压等级提升一个档次,成本再次提升。不仅如此,由于电流太大,根据IIR的原理,线路中的损耗也会大幅提升,转变成热量。
而当动力电池的电压串到360V左右后,同一款电动汽车相同输出功率时,所需要的电流约为I=P/U=801000/360 = 222A,同样按照5A每平方毫米的载流计算,所需要的电线截面积为222/5 = 45平方毫米。根据该供应商的数据,45平方毫米的电力电缆属于中等水平,既不是太大,也不会太小。
顺便说一句,如上图所示为电动汽车中常见的动力线,一般车企都会使用屏蔽线,即在电线的绝缘和护套中用一层编织网将铜导线包起来,类似于闭路线的结构,电磁辐射既进不去也出不来。而电动汽车的动力电池、驱动电机、电机控制器等一般也是采用金属作为外壳的,可以完全隔绝电磁辐射的泄漏,因此我们现在担心电动汽车的电磁辐射伤害人体一般是多此一举的。
电动汽车用屏蔽电缆
回到正题,无论是从降低成本还是安全等角度考虑,电动汽车的动力电池提高电压是很有必要的,然而动力电池由于材料的限制,导致每一节电池的电压是有限的,即使增大电池的体积到液化煤气罐那么大,每节电池的电压是不变的,只是电池的电量变多了。因此,在实务中,动力电池都是由很多的电芯经过串并联组合而成的,像搭积木一样,由小的单颗电芯,成组成大的动力电池总成。
很多朋友在看过“动力电池为啥不直接做个大的,而要用很多小的组起来”这篇文章以后,也发动起自己的脑筋,提出了一些其他的意见,下面将比较热的几个话题整理给大家,供大家进一步思考和讨论。
1 串联是为了升压,并联是为了充电更快
动力电池实际上有串联也有并联,上面的解释只说明了串联的原因,而没有解释为何要并联。
按理说,用一些大电池直接串联就行,而无需并联,但之所以还需要并联,应该是为了充电更快。
充电更快
2 小电池是为了标准化降低成本,也提升成组灵活性
用小电池是因为小电池已经是产业化了,成本容易压缩,竞争更有优势。同时小电池可以组成各种形状,大了之后会受到很多限制。
成组形状更灵活
3 并联可以解决故障率高问题,屏蔽埋猛芦小的故障电芯就行
如果直接用大单元电池串联,由于电池的一致性和良品率原因会使最后的组故障率很高,上百串的电池中只要有一个电池出现问题就会影响整个电池组故障。而采用并联,则可以在某一并出现故障以后将其屏蔽,保证整体电池组正常使用。
将故障的电芯屏蔽
上面三个话题受到的争议最大,也特别有意思,在后面的文章中,我们将会一个问题一个问题的来分析,看看大家的想法是否一致,谁讲得又更有道理。
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本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。
动力电池成本占整车成本的40%,甚至还要更多,降低动力电池成本一直是电池供应商和主机厂的重要任务之一。现有的电池Pack结构,通常由“电芯-模组-整包”的三级结构组成。若干个电芯组合在一起,被称为“模组”;若干个模组组合在一起,再加上BMS、配电模块等零部件,就成为“电池Pack”。为动力电池降本,主要手段之一就是减少“模组”的成本,但如今这种手段已经到了瓶颈期。
如何既能降低电池成本,又能提高能量密度,增加续航里程?
CTP技术或许是当下最好的选择!
CTP技术全称Cell To Pack,也吵拿叫无模组技术,现有两种不同的技术路线。一是彻底取消模组的方案,以比亚迪刀片电池为代表;二是小模组整合为大模组的方案,以宁德时代CTP技术为代表。此外,比亚迪刀片电池专攻磷酸铁锂电池,宁德时代则以高镍三元锂电池为主。
■ 比亚迪CTP技术有什么特点?
比亚迪刀片电池,就是在此前方壳电池的基础上,将电芯做“长”,做“薄”,形状类似刀片。根据公开信息显示,比亚迪一共有5种不同的电芯规格,具体数据如下表所示。这种电芯其实高度同现在方壳电池相比没有变化,厚度相比软包电芯略厚,主要变化是长度,从435mm一直到2500mm都有。这里面,比亚迪具体是如何做的,根据目前的资料还不清楚。
这种电芯想要组成电池PACK,就要依赖CTP技术。这种技术一方面提升了电池PACK的包内空间利用率,增加了带电量;另一方面又减轻了PACK重量,提高了整包的能量密度。
根据比亚迪申请专利能看到,在电池包总体积一致的情况下,现有的电池PACK结构,多出了各模组的侧板、端板、紧固件、横梁、纵梁等组件,包内空间利用率大概在40%左右;而采用了CTP技术的比亚迪电池包,除去电池管理系统、配电箱等组件,包内空间利用率大概在62%左右。受到不同的电芯布局方式影响,包内空间利用率分别为55%、60%、62%、65%,如有需求甚至可以达到80%。即使是同一辆车,采用CTP技术的电池PACK后,带电量约增加20%-30%,续航里程也能提升20%-30%。
■ 宁德时代CTP技术有何不同?
宁德时代在去年法兰克福车展上,公布了自家CTP技术的部分信息,这种电池PACK由至少两个以上的大模组构成(如下图),每一个模组之间通过固定件连接在电池托盘上,最终电池PACK通过安装梁固定在不同车型上。
根据宁德时代专利能够看到,一个大模组里轿梁面被若干个塑料材质的散热板分割成一个个小的空间,方壳电芯就像电脑硬盘一样,可以插进这些小空间。每个电芯的侧面还贴有导热硅胶垫片,且电芯宽度方向的散热板留有散热通道,可以直接于外部的冷却管路连接。根据相关数据显示,这样做能够减少约40%的零部件,这些零部件来自模组之间的连接线束、侧板、底板等。此外,在电池体积不变的情况下,采用CTP技术的电池Pack包内体积利用率也提升了15%-20%。
■ CTP技术有什么优点?
1、轻量化。CTP技术能够最大程度的减少电池Pack内部,各个模组之间的侧板、底板、连接线束、固定件、非必要的横梁,纵梁等零部件,对于电池的轻量化非常有帮助。
2、电池能量密度提升。这里面有两个维度,第一个是重量比能量密度,这种说法也是我们常见的;以宁德时代的CTP技术为例,重量比能量密度能达到200Wh/kg。第二个维度是体积比能量密度,以比亚迪的CTP技术为例,体积比能量密度相比过去能够提升50%,不同规格的电芯体积比能量密度分别为439Wh/L、448Wh/L、449 Wh/L、450 Wh/L。
作为对比,采用CTP技术的比亚迪磷酸铁锂电池Pack的重量比能量密度已经达到了180Wh/kg,堪比当下采用NCM811电芯的电池Pack了。
3、成本低。事实上,CTP技术落地的一个重要推动力就是降低动力电池成本的需求。以比亚迪为例,新闭碰运产品的成本可以降低20%-30%。这里面包含电池Pack本身的成本的因素,也包含简化了生产组装工艺,导致不良率下降的因素。宁德时代虽然没有透露成本优势,但因为生产效率提升50%带来的积极影响,显然不可忽视。
■ 现阶段,对CTP技术的一些疑问?
1、电池碰撞安全。传统三级结构的电池Pack,因为有模组的存在,所以碰撞安全多了一层保护。采用CTP技术的电池Pack,除去Pack的边梁,电芯将直接承受碰撞的冲击。
从现有的资料来看,以宁德时代为例,Pack的框架是铝型材直接挤压成型,以增加强度;每个大模组内部的塑料壳体通过注塑成型,注塑时将散热板嵌入箱体模具内,实现一体成型。
2、电池热管理。由于新技术改变了电池Pack的结构,势必会对电池的热管理系统,甚至BMS系统提出全新的设计要求和策略,这是软件层面的考量。
从硬件层面来看,比亚迪为这种电池Pack设计了新的排气孔和排气通道。排气孔对着电芯两端的防爆阀,当火焰、烟雾或气体从防爆阀中排出,会通过排气孔进入排气通道,排出电池包外。现有的电池Pack则没有类似的排气通道设计,火焰、烟雾或气体很容易聚集在模组内,对电芯造成二次伤害。
比亚迪刀片电池的排气通道设计(103为防爆阀,221为排气孔,222为排气通道)
类似的设计,我在宁德时代的专利申请上也看到了,且针对三元锂电池更易发热的情况,采用宁德时代CTP技术的每一个电芯,内置在上下壳体中。壳体中间填充有导热胶,电芯侧壁和壳体之间还有压力或温度传感器。前者用来检测电芯的外形变化,后者用来检测温度变化,以排除故障电芯,提前预电芯测热失控现象。
3、售后维修便捷性和成本。这是知乎大V朱玉龙提出的一个疑问——因为电芯或采取某种方式(或许是粘)直接固定在电池Pack的托盘上,因此4S店在日后的维修中,一是对技术提出了更高的要求,二是某个电芯故障,或许需要更换整个电池组。
4、电池的一致性。目前有分析推测,采用CTP技术的电芯,其内部或许是几个更小的电芯以并串联的方式一个一个连接起来。无论该推测是否正确,这种新的技术对于电池的一致性确实提出了更高的要求。这里面也包含两方面的内容,一是电芯生产过程中的一致性,二是电池使用过程中的一致性。而电池的一致性,一直以来都是国内电池生产商难以很好解决的问题。
■ 还有谁家有CTP技术?
除了上文所述的宁德时代和比亚迪之外,长城汽车的蜂巢能源、国轩高科等电池企业也都在研发自己的CTP技术。
据蜂巢能源透露,他们的CTP技术既有无模组方案,也有大模组方案。相比蜂巢能源传统的590模组,CTP-G1减少24%零部件数量,每Wh电池成本降低01元;CTP-G2提升5%-10%重量成组效率,提升5%空间利用率,减少22%零部件数量,每Wh电池成本降低021元/Wh。只是目前还没有更多的技术信息透露出来。
另一方面,今年3月比亚迪将正式发布“超级磷酸铁锂电池”,届时关于比亚迪的CTP技术或许会有更多消息。北汽新能源则确定要在EU5上,率先搭载采用了宁德时代CTP技术的电池,我们也可以期待。按照主机厂动力电池的测试流程,预计今年Q1末,我们就会看到更多采用了CTP技术的电池公布技术亮点。
■ 邦点评
CTP技术能够显著提升电池能量密度,提高纯电动车的续航里程,这对消费者而言是一件好事。然而,回归文章标题的疑问——CTP技术能让我们的车更安全、更便宜吗?目前为止,仍需打个问号。安全方面,最基础也是最重要的电池一致性,国内电池企业同日韩电池企业还有较大差距;成本方面,由于电池供应商会掌握更大的话语权,新技术带来的电池成本的降低,是否能体现在车辆的指导价上还未曾可知。
当然,我们有理由相信,当CTP技术成为一种趋势后,我们现在的担忧将不再是问题。
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在上一期《电车知识学堂》中,我们介绍了目前主流三元锂电池对于电池安全的防护设计,而最近还有一款新型的电池频毕散慧频被推上热搜,引起了广泛的讨论,它就是我们今天的主角---刀片电池。
“刀片电池”中的“刀片”指的是其单体电芯的形状,并非是什么前所未有的黑科技,它在化学层面上的本质仍然是我们熟知的磷酸铁锂电池,但通过不断优化的物理结构设计以及材料更新,它与三元锂电池的差距已经越来越小,今天我们就来看看比亚迪是如何做到的,新的刀片电池与三元锂电池相比有什么优势。
● 采用CTP思路提升空间利用率
目前常见传统结构的电池包内部长这样(不分三元锂还是磷酸铁锂):
传统电池包内部结构
图中上半部分为6块模组,每一个模组都是由多个同样的小电芯封装组成,最后再将多个模组安装在带有固定横梁与纵梁的框架中,本身从电芯到模组的空间利用率在80%左右,而从模组到电池包要被连接部件和内部骨架挤占不少空间,空间利用率还要再损失一半,最终电芯只占电池包总体积的40%左右。
对于天生能量密度较高的三元锂电池来说还好,但对于原本能量密度难以做高的磷酸铁锂电池来说则明显限制了单体电芯的能量密度以及总容量的提升。
比亚迪刀片电
对此,比亚迪选择先从电池的结构入手,突破传统电池框架的限制,打造了长条形的磷酸铁锂电芯,通过CTP(Cell to Pack)设计思路,直接取消了电池包内部的框架,通过横向密集排列的多排电芯,将内部空间的利用率提升到了60%左右。
最为直接的结果就是电池包整体的能量密度以及容量的提升。以搭载最新刀片电池的比亚迪汉EV为例,其电池包总能量为769kWh,能量密度140Wh/kg,工信部的续航里程能够达到605km,已经达到了新能源车续航水平的第一梯队。
新的CTP设计思路不仅让刀片电池在性能参数上达到了平均水平,由于减少了电池组装模组的端板、侧板以及用于固定模组的框架、螺栓等紧固件,还降低了部分制造成本,提升制造效率。
● 刀片电池的安全性
比亚迪的刀片电池和“刀”并没有什么关系,只是由于其电芯形状十分特别,又长又薄,就像刀片一样,故称之为“刀片电池”。应用在比亚迪汉EV车型上的电芯长度为1米,宽约10厘米,厚度仅为2厘米,单体电压334V,容量可达100Ah,这是之前的电芯形式上从未出现过的形状。
1、外力挤压
在之前的文章中,我们分析过锂电池会发生的最严重的安全性问题就是燃烧甚至爆炸,出现这些问掘皮题的根源在于电池内部的热失控,而避免热失控首先的要求就是在发生碰撞时,避免电芯收到外力挤压。
比亚迪的刀片电池在电池包的外侧依然设计有类似汽车防撞梁的吸能盒结构,能通过变形吸手答能来抵御对电池包本体的冲击,而刀片电芯则直接竖向紧密排列,并固定在电池包的边框上,让每块电芯本身也变成结构件,成为支撑电池包的横梁。一根薄薄的横梁起不到什么作用,但横梁数量一多,就会形成有点类似“一把筷子拧不断”的效果,并且面积最大,最容易发生弯折的部分正好面向车头与车尾,外部有更为充足的缓冲区域。
刀片电池在100-800kN的测试标准中,电池包只发生了轻微变形,未冒烟和起火,而在三点压强测试中,刀片电池最终可以承受445kN的压力,其可承受的碰撞、挤压强度确实比传统的电池包结构还要强。
2、电芯热失控
已经发生的新能源电动汽车事故大部分与动力电池的热失控有关,或由于碰撞挤压、或由于过充过放,最终导致电芯过热起火。
普通的三元锂电池在超过200℃时就有可能发生热失控,且正极材料含镍越高就越不稳定(目前能量密度最高的NCM811电池表示正极的镍、钴、锰配比为8:1:1,理论上最不稳定),若BMS无法及时断电散热,就非常容易发生燃烧。
而磷酸铁锂正极材料本身的热稳定性就比三元锂要好不少,在500℃以内都有着极高的稳定性,超过800℃时才有发生热失控的可能。此外即便发生热失控,磷酸铁锂电池的放热也非常缓慢,且分解时不会释放氧气,减少了起火的风险。
对比同样材料的传统电池,刀片电池的长条结构散热面积大,伴随而来的还有整个电路的回路长,产热能力低。总结起来就是:发热量低和散热性能好,那么热失控或自燃的概率也就小了很多。
在针对锂电池最难的针刺试验中,比亚迪按照GB/T 31485-2015的针刺试验方法,将电池充满电,用直径为5mm的耐高温钢针,以(25±5)mm/s的速度,从垂直于电池极板的方向贯穿整块电池,人为的创造一个极限情况下的短路环境,来考验电池受损最严重时的安全性。
在穿刺后,NCM622三元锂离子电池瞬间剧烈燃烧,表面温度超过500℃。传统的磷酸铁锂块状电池在经过短暂的反应时间后,电池开始膨胀并打开了泄压阀,将内部高温液体与气体喷出,虽然没有产生明火,但表面温度也升高至200℃-400℃,虽然也有一定危险,但总体上还在控制范围之内。
最后刀片电池的电压在穿刺后还只是以很缓慢的速度下降,并且没有冒烟起火现象,表面的最高温度也仅停留在30-60℃,十分安全。退一步讲,就算在极端情况下出现热失控,搭载刀片电池的车型也能提供更长的逃生及救援时间。
● 写在最后
在公共充电桩等设施尚未大规模普及的今天,新能源车对高能量密度、高续航的追求仍然是主流目标。三元锂电池的正极材料从原本的333、532、622,再到811,随着能量密度的不断提高,电池的热稳定性也会变差,近期多起电动车的自燃事件也让人们对电动车的安全性越来越关注。
而比亚迪刀片电池的出现,打开了一道解决新能源汽车续航与安全矛盾的全新大门,既然刀片电池在结构上有着空间利用率高、散热面积大、电路回路长、产热能力低的特点,那么我们是否可以将三元锂电池也做成“刀片”的形状呢,这或许是未来的另一个方向。
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最近关于特斯拉电池的新闻可是层出不穷,而马斯克的话也随时影响着特斯拉的股价,十足一个“股价调节员”。
不过从深层次来看,特斯拉或许正在引发一场电池战争,动力电池技术路线或将出现重大调整。毕竟如果特斯拉采用宁德时代生产的“无钴电池”,那么主攻三元锂电池方向的电池厂商也势必大受影响,而这一点两手兼备的宁德时代和比亚迪貌似又走在了前列。
连续三年第一,但喜忧参半
和传统汽车不一样,新能源汽车的核心是“三电系统”,动力电池则是整车生产成本中最高的零件,但是动力电池并不是完全由车企掌握,也正是如此催生了一众动力电池供应商。
根据最新的统计,去年全球整体锂离子动力电池总出货量为1166GWh,同比增长166%。宁德时代是继续拿下了2019年全球动力电池出货量冠军,完成“三连冠”。并且宁德时代的增速与出货,相比第二名松下还有扩大趋势。
从榜单的分布来看,除了宁德时代,进入TOP10的中国动力电池企业还有比亚迪、AESC(被远景收购)、国轩、力神,一共5家,但是相比2018年减少了2家。
剩下5家动力电池企业中,韩国有3家,相比2018年增加1家,分别是LG chem、SDI与SKI,其中SKI是首次跻身前十名。日本有两家,松下和PEVE(丰田与松下合资企业)。
从市场占比来看,中国5家企业占比451%,但是相比2018年475%下降24%;韩国3家占比1578%,相比2018年的119%增长388%;日本2家占比2599%,相比2018年(包括AESC)的292%下降321%。
具体来看,宁德时代以325GWh的成绩拿下了全球动力电池出货量的第一名,同比增长3889%,并扩大了447%的市场份额,同比增长1910%。
这也是得益于签约的汽车厂商众多,并且和各大品牌建立合资电池工厂的缘故,它的出货量的增长也会随着各大品牌产能扩大而进一步提升。
松下同样稳中有升,以281GWh的出货量位列第二,同比增长3192%,这当中特斯拉Model 3的产能提升是最大功臣,不过随着国产Model 3牵手宁德时代和LG化学,松下面临的压力不小。但是不要忘了2020年特斯拉Model Y又准备开始交付了,特斯拉在美国市场对于松下电池的需求并不会降低。
LG化学依靠捷豹I-Pace、奥迪e-tron以及奔驰厅友烂EQC等电动车都达成合作,它的出货量还是从2018年的75GWh提升到了123GWh,同比增长64%。
排在第四的比亚迪算是榜单前10中唯一一家有整车制造业务的电池供应商,不过排名被LG化学反超。
比亚迪主要还是为品牌旗下的新能源乘用车以及商用车供应电池,所以出货量比较稳定。值得注意的是,比亚迪也开始以电池供应商的身份与其它车企合作,同时比亚迪还与丰田成立了合资品牌,产品同样以新能源为主,具备增长潜力。
另一家电池大厂,SDI(三星电池)占据了出货量前5的最后一个席位,出货量提升到42GWh,同比增长20%。
前十剩下的五个电池厂商中,远景在收购了AESC之后出货量为39GWh,同比增长541%;国轩的出货量维持不变,但是在行业整体增长的情况下,不进则退。剩下的天津力神的出货量则从2018年的3GWh减少到了19GWh,同比减少3667%。
榜单中的PEVE则是丰田和松下成立的电池合资公司,虽然现在只有22GWh的出货量,但当丰田发力电动车之后,同样具备增长的潜力。SK Innovation虽然有1375%的同比增长,但是19GWh出货量也是勉强进入前10。
至于前10之外的企业,总出货量从2018年的199GWh缩水到了153GWh,总市场份额占比下降到了1312%,看得出来行业的重心在向头部企业转移,小厂商的生存之路,将变得更加艰难。
总的来说,国内动力电池企业中,虽然宁德时代扩大了优势,但是其它中国扮漏厂商的份额是缩小了,可谓喜忧参半。
无钴电池?动力电池路线再起波澜?
在上周,一则“特斯拉将采用宁德时代生产的无钴电池”的消息引起了热议,虽说特斯拉也立即否认,无钴不代表一定是磷酸铁锂,但是在电池技术没有得到进一步发展之前,最有效告猛的无钴电池就是我们熟悉的磷酸铁锂。
至于为何特斯拉此时爆出这样的消息,其实或多或少是有它的目的。要么影响资本市场的股价,要么是打压竞争对手,或者说更多的是给潜在供应商施加压力。
因为一方面特斯拉要和宁德时代合作,采用无钴电池,而另一边厢却在和全球矿产厂商签署协议,保证钴在中国的供应,这就司马昭之心了吧。
那么这个消息是子虚乌有嘛,并不是。在去年9月,宁德时代宣布推出全新的CTP高集成动力电池开发平台,即电芯直接集成到电池包(传统电池包采用的是从单体——模组——电池包的成组方式)。
由于省去了电池模组组装环节,相比传统电池包,CTP电池包体积利用率提高了15%-20%,电池包零部件数量减少40%,生产效率提升了50%,将大幅降低动力电池的制造成本,或许这项技术是打动特斯拉的原因之一。
至于特斯拉在多大程度上推广“无钴电池”,在我们看来特斯拉更多的会同时采用多种技术方案,磷酸铁锂会用在国产标准续航车型,而长续航版肯定还是采用三元方案。
要知道,磷酸铁锂电池的价格优势是三元锂电池无法比拟的,2019年三元锂电池电芯的价格在900元/KWh左右,而磷酸铁锂电池电芯的价格在700元/KWh左右,以一辆续航400km的车型为例,电池能量约为50KWH,采用磷酸铁锂电池至少能便宜10000元。
这样可以进一步降低入门车型的起售价,用更低的价格来扩大受众范围,这一点从马斯克号称打造原创“中国风”的特斯拉以及中国特供车相符。
另外,在和宁德时代展开合作之前,特斯拉与松下密切合作长达10年,但如今双方的关系却逐渐产生裂痕,最关键的核心零部件只有一家供应商,对于特斯拉而言,是冒着极大风险的。
最关键的一点是,松下无法满足特斯拉的降价要求,所以多元化的电池供应体系势在必行。
当然从中长期看,解决电动车续航问题的核心还是在于提升电池的能量密度,高能量密度的高镍体系依旧是趋势,包括目前仍在研发阶段的无钴三元材料。
换句话说,磷酸铁锂电池和三元锂电池形成高低搭配,入门车型采用磷酸铁锂,更注重性能的车型则依旧采用三元锂。
磷酸铁锂电池重返舞台
无独有偶,特斯拉和宁德时代在商谈“无钴电池”,而比亚迪也率先推出刀片电池,可以说有一种让磷酸铁锂电池重新回到主流位置的感觉。
从结构来说,比亚迪的刀片电池同样属于CTP技术的一种,和宁德时代发布的CTP技术理念相同。
它们都是将电芯直接集成为电池包,省去了中间模组环节。不同之处在于,比亚迪是采用的是完全无模组方式,难度更大也更为彻底;宁德时代则是以大模组替代小模组的方式。
CTP并不是很先进的技术,为什么早不采用,主要是以前对电池包设计的安全冗余度过高,现在技术更自信可以省去或简化模组零部件,从而提高单位电池的能量密度。
1比亚迪刀片电池的特点
从比亚迪披露的专利来看,刀片电池是把电芯长度拉长,厚度做薄,做成430mm甚至2500mm的超长电芯,其电芯是两端出极耳。和传统方形电池相比,呈现“扁平”和“长条”形状。
在电池包总体积一致的情况下,现有的电池PACK结构,多出了各模组的侧板、端板、紧固件、横梁、纵梁等组件;而采用了CTP技术的比亚迪电池包,除去电池管理系统、配电箱等组件,包内空间利用率大概在62%左右。受到不同的电芯布局方式影响,包内空间利用率分别为55%到65%,如有需求甚至可以达到80%。
由于零部件的减少,带来重量的减少,因此单位质量能量密度也能够提高,整车续航里程也能提高。采用CTP技术的电池PACK,带电量约增加20%-30%,续航里程也能提升20%-30%。
作为对比,采用CTP技术的比亚迪磷酸铁锂电池包的重量比能量密度已经达到了180Wh/kg,和当下采用NCM811电芯的电池包相当了。
2宁德时代CTP的特点
相比比亚迪的刀片电池,宁德时代在技术上并没有那么激进,因为它采用高镍三元,它的散热要求高,所以它还是保留了模组概念,只不过模组的数量减少了。
根据宁德时代的专利,一个大模组里面被若干个塑料材质的散热板分割成一个个小的空间,方壳电芯就像电脑硬盘一样,可以插进这些小空间。
每个电芯的侧面还贴有导热硅胶垫片,且电芯宽度方向的散热板留有散热通道,可以直接于外部的冷却管路连接。
根据宁德时代的数据显示,这样做能够减少约40%的零部件,这些零部件来自模组之间的连接线束、侧板、底板等。此外,在电池体积不变的情况下,采用CTP技术的电池Pack包内体积利用率也提升了15%-20%。
有优势同样也具有劣势,取消或减少模组环节,也会带来一些风险。传统三级结构的电池Pack,因为有模组的存在,所以碰撞安全多了一层保护。
采用CTP技术的电池Pack,除去Pack的边梁,电芯将直接承受碰撞的冲击。
另外,CTP对电芯一致性的要求更高,电芯由于充放电膨胀造成的形变和散热性能变差不可忽视,一旦单个电芯发生故障,就会涉及到更换整个电池包,而不是之前只需更换某一个模组,维修成本会大幅增加。
未来核心在于“降本”
从排名以及电池出货量来看,宁德时代都还将会持续占据头名位置,它在磷酸铁锂、高压三元和高镍三元三条技术路径上,均取得不错的进展。
比亚迪凭借在磷酸铁锂电池上技术积累,加上采用CTP技术,相信降本增效明显,也会带动电池业务的增长。
相对的国内的其它电池厂商面临的压力不小,马太效应越发的明显。这也是由于它们大多供应的是中国车企,海外市场和车企开拓有限,这严重限制了它们的业务增长。
从市场情况看,成本的控制也是越发的重要,如何在保证原有甚至提供续航里程的情况下降低成本,这是电池厂商和车企研究的课题。而从磷酸铁锂电池在2019年下半年开始回暖可以看出,在补贴退坡后,厂商的利润被压缩,磷酸铁锂电池成本优势更加明显,对成本比较敏感的中低端车型更有吸引力。
本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。
太平洋汽车网新能源汽车锂电池包使用的是导热硅胶片,导热硅胶片是以有机硅胶为主体,添加填充料、导热材料等高分子材料,混炼而成的硅胶,具有较好的导热、电绝缘性能,广泛用于电子元器件、锂电池散热系统中。
模块化的结构设计实现了电芯的集成,通过热管理设计与仿真优化电池的安全保护及连接路径;通过BMS实现对电芯的管理,以及与整车的通讯及信息交换。电池包组成主要包括电芯、模块、电气系统、热管理系统、壳体和BMS。
动力电池系统设计要以满足整车的动力要求和其他设计为前提。同时要考虑电池系统自身的内部结构和安全及管理设计等方面。设计流程为:确定整车设计要求、确定车辆功率及能量要州绝拦求、选择匹配合适的电芯、确定电池模块的组合结构、确定电池管理系统及设管理系统设计、仿真模拟及具体试验验证。
电池包壳体设计要求电池包壳体作为电池模块的承载体,对电池模块的安全工作和防护起着关键作用。其外观设计主要从材质、表面防腐蚀、绝缘处理、产品标识等方面经行。
要满足强度刚度要求和电器设备外壳防护等级IP67设计要求并且提供碰撞保护,箱内电池模块在底板生根,线束走向合理、美观且固定可靠。
1、一般要求
(1)具有维护的方便性。
(2)在车辆发生碰撞或电池发生自燃等意外情况下,宜考虑防止烟火宏毁、液体、气体等进入车厢的结构或防护措施。
(3)电池箱应留有铭牌与安全标志布置位置,给保险、动力线、采集线、各种传感元件的安装留有足够的空间和固定基础。
(4)所有无极基本绝缘的连接件、端子、电触头应采取加强防护。在连接件、端子、电触头接合后应符合GB4208-2008防护等级为3的要求。
2、外观与尺寸
(1)外表面无明显划伤、变形等缺陷、表面涂镀层均匀。
(2)零件紧固可靠、无锈蚀、毛刺、裂纹等缺陷和损伤。
3、机械强度
(1)耐振动强度和耐冲击强度,在试验后不应有机械损坏、变形和紧固部位的松动现象,锁止装置不应受到损坏。
(2)采取锁止装置固定的蓄电池箱,锁止装置应可靠,具有防误操作措施。
4、安全要求
(1)在试验后,蓄电池箱防护等级不低于IP55。
(2)人员触电防护应符合相关册胡要求。
在完成整个动力电池系统的设计后,制作好的动力电池系统必须经过台架性能测试,验证是否符合设计要求,在经过装车试验,对系统进行改进和完善。相关行业标准如下:电池包壳体的选材电池壳体是新能源汽车动力电池的承载件,一般是安装在车体下部,主要用于保护锂电池在受到外界碰撞、挤压时不会损坏。
(图/文/摄:太平洋汽车网问答叫兽)
比如正常生产的工艺节逗塌闭拍为109s,动力电池作为电动车关键总成,总质量约为360kg,分别与车身及动力电池后者支架连接,固定点12个,那么螺栓力矩为100Nm。
动力电池模组,是把若干单体电芯通过导电连接件串并联成一个电源,通过结构和工艺固定在衫御设计位置,协同发挥电能充放存储的功能。
再者就是电机了,电机是驱动新能源车辆驾驶的关键部件。和传统燃油车相同,新能源车辆的电机同样是需要定期实行冷却液的更换的;然后才是电塌旅帆路检测。对比于燃油车的电路,新能源车辆的电路要复杂得多,与此同时电压也必须高得多。出于我们的安全,我们需要定期维护接头有无松动,线路有无老化等等。最后,除了对新能源车辆的三电系统实行检测之外,我们也是要对新能源车辆的刹车片,轮胎以及雨刮器等常用易损件实行检测。比如说检测轮胎胎压是不是正常,刹车片是不是出团雹现了老化等等,千万一定不要疏忽大意
第一步:检查
在拆卸电池的过程中要检查所有连线质量,同时检查保险座、充电插座,以及电动车锂电池引出线接触是否正常可靠,并紧固所有连接件。需要更换的应更换,并应重点考查其可靠性,不可靠者要进行更换。
第二步:安装
要按照电池包装箱内说明书要求对电动车锂电池安装。埋虚其实大部分电池电池盒内部的每块电池都是串连在一起的,用不低于一平方的铜线把每块电池用烙铁焊接串连在一起,最后剩下两个输出端子正极和负极,焊接在输出插座的两个段档液埋子上,注意不要接反了,一定要和充电器上的正负极对应。不然后果就严重了。
第三步:试用
安装好电动车锂电池以后,要用万用表测量电池输出端口电压,电池实际电压要比标实电压稍高2~5V,正常后方可投入正常运行。