上汽“魔方”电池技术 百万公里与零热失控方案

     2022-06-20 次浏览

来源｜知化汽车

作者｜知化小编

魔方电池是一种CTP技术，整体的布置自上而下的构成为：上盖、电芯专用压板、CCS组件、躺式CTP电芯组、立式冷却组件、黑色的隔热绝缘结构（推测）、下箱体。

得益于它的躺式电芯设计，魔方电池其中一个突出的特点是：超长的寿命，根据上汽的说法，最长的为64kWh的电池包，可以达到12年，100万公里；同时，可以实现“零热失控”的安全防护。

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“百万公里”

对于超长寿命，上汽有5个技术要点：

（1）独特的电芯电解液引流技术，关于这一点，我们在之前的文章也有谈到，由于电芯平躺着布置，相对于立式电芯的方案，它有很多问题要解决，包括电解液泄露、浓度问题、隔膜压力等；魔方电池能够量产，说明这些问题基本已解决，但上汽没有透露出更多的信息，或者电芯层面的挑战由宁德时代来解决；

（2）压力自适应管理系统；

（3）保障电芯全生命周期最优压力设计。

以上两点是上汽重点突出的，怎么来理解呢？

对于一般的立式电芯布置，无论是模组技术、绑带式模组技术，还是真正意义上的CTP，电芯两个大的端面，都会受到一个固定强束缚，起到一个预紧力的作用。模组的话，主要通过端板结构件+侧板/绑带来实现，CTP的话，主要通过箱体上的纵横梁结构件。

这个力就关系到电芯的寿命，通常它有一个合适的范围，不能太大，也不能太小。固定式的这种预紧，它的主要问题在于，随着充放电的进行，电芯会不断地膨胀，而立式的设计，一般来说，都是多个电芯，十个或几十个，在膨胀累积的情况下，会让所有电芯承受较大的力，这让电芯的循环寿命大受影响。

而魔方电池由于是采用躺式的设计，在电芯大面上，最多是两个电芯叠加，这让它的膨胀力累积效应基本可以忽略；另外，上汽设计有一个“弹性自适应束缚”，我的理解是它这个约束结构是可以变动的，以便让对电芯的压紧力保持在一个稳定的水平。

但就这一个自适应结构，就让电芯的寿命大幅增加，根据上汽的说法，如果同一款电芯在立式的条件下可以达到50-60万公里，那采用这种躺式自适应结构，便可以实现100万公里。这是个测算的结果，还需要在实际使用过程中来验证。

这个100万公里目前仅针对魔方的64kWh电池包，其他的会各有相应的减少，比如77kWh这款包，上汽给的质保是8年，66万公里（衰减不超过20%）。

02

“零热失控”

接下来看，“零热失控”防护是如何实现的。概况来说，

（1）单个电芯热失控，最多影响上下层的另外一个电芯，大幅减少了受影响电芯的数量；这个通过隔热阻燃垫+PACK层级的结构件来实现。

对于同样数量的电芯，躺着布置的电芯，在达到同样阻燃效果时，比立式布置的电芯节省所用的材料。

上述的黑色隔热阻燃垫对每两个电芯之间在轴向建立起来了防护，剩下的还有前后端的横向防护、电芯大面的上下空间防护。

对于前后端的横向防护，上汽通过两根纵梁+3根水冷板来实现，即对于电芯的端面，它要么是正对着纵梁，要么是对着冷板。根据前文的分析，在纵梁或箱体边框与电芯端面之间，会再布置隔热阻燃材料。

对于电芯大面的上下空间，除了箱体和电芯压板，可能还需要布置相应的防护材料，像云母板之类。

（2）上述的几个纬度的结构布置，基本上就把每两个电芯隔离起来了，使得电芯在热失控时，控制在两个电芯范围内。在系统层级，还有些必备的配置，像防爆阀。

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超高集成效率

从上汽展示的对比数据来看，魔方电池系统的集成效率是很高的，我们可以从体积集成效率和质量集成效率分别来看，如下：

体积集成效率上，魔方电池系统的优势最为明显，它最大的体积为310L，也要比其他任何车型的体积都要小；在质量集成效率上，魔方的优势没有像体积那么突出，可能是因为质量比能和电芯的比能强相关性更大，同时与你其他零部件的单位能量质量有关。具体的数字对比如下：

那它集成效率高的基本原理是什么呢？

仍然是来自于它的躺式电芯布置。实现集成效率的提高，要从两个方面来进行保障，首先，我们可以对比下传统立式电芯排放与魔方电池在Z向的空间利用率。

这里考究的是电芯真正起到能量存储作用的裸电芯体，即下图中淡绿色的部分，可以看到，立式电芯既要在电芯体外的Z向（上面）空间留出足够的体积来布置电连接组件，热失控防护件等等，在电芯本体内，由于顶盖，输出极的存在，它还要再次占用Z向（上面）的体积，这就使得立式电芯想要把整个电池包做矮是非常有难度的。

而对于魔方的躺式电芯，由下图可以看出，它在Z向上的空间利用是非常大的，除了增加了电芯体外的体积，还增加了电芯本体内的可用高度（Z向）。这就使得它可以把整个电池包做得足够矮。

有人可能会有个疑问，躺式电芯虽然减少了在Z向的体积利用，但对于水平方向（车身宽度方向），它是增加了呀。这里还要再涉及到两点：一，对于整车来说，Z向空间比整车宽度空间更为宝贵，更难降低下来。第二点也是魔方电池集成效率高的另外一方面，即它取得如此低的是电池系统体积，是不以牺牲电池能量为代价的。

怎么说？采用立式电芯布置，你也可以把整个电池系统的高度做得很低，就是把电芯高度再降低嘛，但电芯高度的降低会直接导致你电芯能量的减少，可能就因此少了20%或30%。

所以对于矮电芯方案，往往是要配高镍三元的材料，以保证电芯能量满足要求，但这其实是牺牲了安全性。

最后，我们现在来谈谈魔方电池的平台特性。平台，至少表明这个电池包技术能够涵盖同一车型的不同续航需求，涵盖不同车型的同一续航需求，同时要求不同车辆之间具有互换性。

魔方也是采用了目前业内主流的配置思路，即增减电芯+不同电芯材料体系。具体地看：

在电芯数量上，它涵盖了从96串到108串；在电芯材料上，它涵盖了铁锂为代表的低密度材料体系，一直到硅碳负极和固态电池为代表的高密度系统。

在互换性上，主要是借鉴了蔚来的思路，即使是在换电的条件下，通过对接口位置和设计的统一，保证各车辆之间的互换性。