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磷酸铁锂刀片电池优势在哪?刀片电池技术分析与总结

   次浏览   菲芒财经   2021-09-06

刀片电池的技术要点

1、刀片电池具有如下优点:零部件数量减少40%,VCTP增加50%,整个电池系统成本下降30%。

2、比亚迪刀片电池已实现367件专利布局,包括宽幅技术,高速叠片技术,超薄铝壳制造技术,高效率电池系统集成技术,电池系统测试评价技术。

3、刀片电池的关键特性包括:超级安全(满足材料安全,电芯安全,系统安全);超级成本(电池系统成本下降30%,比友商同类电池综合成本低接近30%);超级强度(振动寿命300 w km以上,碰撞加速度高达60g,最大挤压力100-800 kN,最大可承受力445 kN);超级功率(33分钟充70%,满足大部分快充要求;瞬间最大放电功率363 kW,支持3.9秒百公里加速);超级低温(-35℃条件下能正常使用);超级寿命(循环寿命折算里程数远大于整车使用年限要求);超级续航(600 km,下一代800km);

4、比亚迪刀片电池技术规划到2025年前:集成效率达到86%,能量密度达到300 Wh/L,预期系统的能量密度达到180 Wh/kg。


关于刀片电池的四个关键问题


1、刀片电池究竟是什么?

刀片电池是一整套基于结构和工程技术的创新。从结构来说,我们可以把电动汽车电池相关的部分分为五个层级,ECU、Cell、Module、PACK、Vehicle。现有的方案中,一个最大的问题在于:层级太多,最终导致集成效率低,续航能力受到严重制约。优化的方向是很清楚的,减少或者是合并其中的多层级。

第一个方案,取消模组层级,从Cell直接集成到Pack(类似于宁德的CTP);

第二个方案,取消Cell层级,或者是将Cell和某层级合并,将电化学单元直接集成成模组。

第三个方案,取消模组和Pack层级,将Cell集成到整车(类似于宁德的CTC)。

还有一种更极限的方案是把Cell、模组、Pack层级全部取消,将电化学单元直接集成到整车上。目前这个技术难度非常大,比亚迪也还在研发过程中。

通过研究分析了大量电动车的需求,比亚迪最终发现基于刀片电池的解决方案在目前看来是最优的方案(方案一),与传统的技术电池系统相比,采用刀片电池的电池系统零部件数量减少40%以上,VCTP体积利用率增加50%以上,成本下降30%以上。刀片电池的电池系统可以让碳酸铁锂完美地满足绝大部分的电动车需求,带来安全性、成本和寿命的巨大收益,刀片电池难度很大,但是带来的集成效率、成本优化最高,因此就把刀片电池选为比亚迪动力电池的发展路线。


2、刀片电池的五大技术难点?

刀片电池的研发中,比亚迪进行了大量的开创性的工作,在材料优化、结构创新、电池管理、工艺方法、整车集成等方面共有了360项专利。其中,最关键的技术创新包括五个部分,宽幅技术、高速叠片技术、超薄铝壳制造技术、高效率电池系统集成技术、电池系统测试评价技术。

比亚迪,磷酸铁锂刀片电池优势在哪?刀片电池技术分析与总结


宽幅技术与高速叠片技术:包括宽幅涂布、宽幅辊压、宽幅叠片。基于氟锂电池的产限,目前最大的涂布宽度可以做到1300毫米,系统检测精度正负0.5毫米内,速度可以做到70米/分钟,可以实现双面同时同步。辊压方面,目前,最大的辊压宽度1200毫米,厚度工差2微米之内,速度可以做到120米/分钟。叠片方面,目前最长可以实现1000毫米的叠片,对齐度可以控制在正负0.3毫米内,叠片的效率为0.3秒/片,处于世界领先水平


超薄铝壳制造技术:对于刀片电池制造来说,铝壳的制造是极大的挑战,我们突破了传统的拉深/挤出工艺的制约,创新工艺实现0.3mm厚度的超长铝壳制造技术。

高效电池系统集成:基于刀片电池的电池系统,借鉴了蜂窝板的理念,蜂窝片具有质量轻、强度超高的系统,以电池阵列为骨架,通过高性能的胶黏剂将上盖、底板与电池阵列联合成一个整体,实现超高的集成效率,超高的强度和超高刚度。其中上盖或底板都可以集成冷却和加热。

电池系统测试评价技术:一般采用振动、温度、湿度、循环同步施加,但是往往发现实验的结果与整车实际的结果无法匹配,主要的原因是多个实验无法模拟实际的使用工况,为了解决这个问题,比亚迪创新地将温度、湿度、振动、循环等多个因子有机结合,通过研究典型区域的实际使用条件,结合加速寿命试验理论,建立全新的可靠性评价方法。

可以说目前比亚迪的刀片电池核心技术及相关专利足以保证在2-3年的时间里做到行业领先。同时,比亚迪也在研发的第二代及新一代磷酸铁锂电池技术,能够保持对友商有着“代差”级别的技术领先。


3、刀片电池的特点是什么?

内部称之为“7S”,即安全、成本、强度、功率、低温、寿命、续航(具体的分析请各位移步昨天的专栏),这里做一个简要的补充。

第一,是超级安全。比亚迪建立了一套基于7个维度、4个层级、5大方面的全范围安全体系,在该体系开发下的刀片电池拥有超高的安全性,表现在以下几个方面。材料安全、Cell安全与包体安全。

基于碳酸铁锂材料的刀片电池和刀片电池独特的结构,刀片电池在针刺实验的条件下不冒烟、不起火,最高温度60度,低压中做到仅冒烟无起火无爆炸。炉温测试中,国标的要求是130度,基于碳酸铁锂的刀片电池可以做到300度(远超国标),过程中仅冒烟无起火无爆炸。在过冲测试中,国标要求1.1倍最大电压,刀片电池可以做到2.6倍的最高电压(远超国标),过程中仅冒烟、无起火无爆炸。这是电池系统热扩散的展示。在系统的热扩散方面,国标的要求是热失控后不扩散到外度,我们的测试最高温度是350度,相连的背面的电池为80度,整个过程仅冒烟、无起火,无爆炸。

目前,电池系统上盖是塑料的,我们用普通的塑料做到整包没有任何的安全风险。底部防护方面,刀片电池系统采用全新的高轻高强高隔热的多层复核材料的防护板,将防护材料和蜂窝板结合在一起,起到很好的底部防护的效果。电池系统有一个关键的安全特性,冷却液泄露的时候怎么保证系统的安全基于刀片系统独特的设计下,可以做到冷却液完全泄露或者是密封失效后,雨水灌入到淹没到浸泡的整个过程无冒烟、无起火无爆炸,整个测试持续了45天,最终到电量全部放完,整个过程没有出现起火。

第二,是超级成本。零部件数量减少40%,VCTP增加50%,整个电池系统成本下降30%(目前,宁德时代磷酸铁锂的成本约为0.58元/wh,刀片电池成本低于0.45元/wh)。其他的内容,在上一篇讲了大家可以回看,这里就过多阐述了。

第三,是超级强度。基于刀片电池的特殊结构,我们把刀片电池当做整个系统结构件,基于刀片系统模态做到80Hz以上,振动寿命300wkm以上,一直在持续测试过程中,暂时还没有损害。模拟碰撞,可以轻松满足60g级别碰撞加速度要求在挤压方面,国标要求是100kN,基于不同的设计现在最大可以做到800kN的挤压(远超国标),电池包仅发生轻微变形,整个系统没有冒烟没有起火。抗压方面,基于刀片电池的电池系统可以承受的压力目前可以到445kN,整个过程没有冒烟起火,电池系统只有轻微的变形。

第四,是超级功率。目前量产的第一代刀片可以做到33分钟补充70%的电量,满足大部分的快冲需求第二代可以做到15分钟、20分钟快充,放电功率瞬间最大功率363 kW(基本上满足了下一代超级充电技术的标准)

第五,是超级低温。刀片电池采用了多层的保温设计,保证整车在-35℃条件下能正常使用。刀片电池底部复合材料的蜂窝板,对系统而言也是很好的保温材料。一般来说,大家都认为磷酸铁锂的低温差,但刀片电池在低温充电时间方面,磷酸铁锂和基于磷酸铁锂刀片电池比三元要略差,但是在可以接受的范围;低温高电量下的充电功率,基于碳酸铁锂的刀片电池优于三元(低温快充由于三元锂)。低温低电量下的充电功率,碳酸铁锂低于三元,但满足需求

第六,是超级寿命。寿命有三个部分,储存寿命、循环寿命和机械寿命。循环寿命方面,基于磷酸铁锂的刀片电池,储存恢复容量170天大概可以达到99.5%。由于磷酸铁锂良好的材料稳定性,拥有超常的循环寿命,可以满足整车120万甚至200公里的里程寿命要求。在机械寿命方面,目前的振动车已经做到300万公里,并且还在持续,电池的系统模态没有明显下降。

第七,是超级续航。基于刀片电池的电池系统,可以轻松做到600公里以上,预计3-5年内还有30-40%的提升空间(这不,今年已经有700公里的唐EV亮相了)。这就意味着随着第二代刀片电池的研发,700-800公里的续航丝毫不成为问题。


4、刀片电池技术规划方向?


比亚迪在刀片电池上投入了大量的研发,期望实现更高的集成效率、更高能量密度,让刀片电池具有更大的竞争力。


第一代刀片电池:系统的重量集成效率73%,重量能量密度是140 Wh/kg,体积能量密度230Wh/L。

第二代刀片电池:系统的重量集成效率提升到86%,重量能量密度是180Wh/kg,积能量密度可以做到300 Wh/L。按照这个参数计算,主流纯电动车的续航里程可以达到800公里起步。

在接下来3-5年,还有采用“刀片电池预锂化”等相关技术的全新一代的磷酸铁锂电池。以及后续,将比亚迪所拥有的固态/半固态电池的专利转化转化为量产。


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