比亞迪刀片電池與GCTP技術

全國能源信息平台 發佈 2020-01-12T05:36:05+00:00

相對於已有方形鋁殼電芯方案,這個電芯最明顯的優勢在於散熱效果好,難點在於整個電芯的結構穩定性,內阻,注液等,尤其是結構強度方面,在後面的CTP方案中,電芯需要依靠自身來實現支撐。

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比亞迪的刀片電池即長電芯方案(主要指方形鋁殼),是一種通過增大電芯的長度(最大長度與電池包寬度相當),將電芯扁長化設計,來進一步改進電池包集成效率的技術。它不是某一個特定尺寸的電芯,而是基於不同需求可形成不同尺寸的一系列電芯,具體形狀如下:

正負極在兩端,兩端(或一端)都有防爆閥,有點軟包兩端出極耳+方形鋁殼綜合的感覺。相對於已有方形鋁殼電芯方案,這個電芯最明顯的優勢在於散熱效果好,難點在於整個電芯的結構穩定性,內阻,注液等,尤其是結構強度方面,在後面的CTP方案中,電芯需要依靠自身來實現支撐。

對於此,比亞迪主要是通過成型工藝、結構設計等方面的改進提高外殼的支承強度,同時將外殼的長寬比控制在預定範圍內。此外,通過集流路徑的優化等方式降低單體電池的內阻,還可輔以注液工藝的改進,解決單體電池尺寸較長帶來的注液時間較長的問題。

對於比能,還沒有明確的一個信息,專利中也沒有透露,不過,根據比亞迪昨天的一次講演,可以大概推斷出整體的一個比能趨勢。

接下來,我們從專利來重點看下比亞迪的CTP方案。

(1)結構上,下圖是一種CTP方案的組成爆炸圖。

可以看出,單排電芯,直接鋪在底板上,電芯的兩端固定在端板上,由兩端邊框提供對電芯提供支撐,為了增加支撐力,可以在底板上增加一個支持台階;在電池包邊框與電芯大面之間有緩衝板(側板),對電芯提供夾緊力。這個方案中沒有縱橫樑,也可以增加縱橫樑或阻燃隔熱墊之類,這樣形成多個子模組,如下:

比亞迪似乎是計劃用電芯自身的強度來實現自支撐,同時再依靠集成後的電芯強度來增加整個電池包的結構強度,即電芯與箱體緊緊結合為一體。這個有待最後的產品檢驗,對電芯殼體的強度要求很高啊。

(2)熱管理

比亞迪對CTP給出了兩種冷卻方案,上圖展示的為液冷設計。該方案是把水冷板放在整個電池包的上面,與模組頂板的直接接觸,對電芯側面窄邊進行冷卻;為提高導熱效率,模組頂板與電芯側面之間有導熱板(可能導熱膠或導熱墊更合理),整個包的溫度差控制在1℃以內。水冷採用U形水道設計或並行設計。

與此同時,電芯的另一側面與模組底部之間有隔熱層,以隔絕電芯與外界的熱交換,起到保溫作用,可採用保溫棉。

這個圖也可以看出比亞迪CTP熱失控的基本思路,正對著防爆閥設計進氣孔,將熱失控發生後的氣體、火焰等引導到排氣通道,經排氣通道排向周圍環境。另外有多個模組的,模組之間會形成物理隔離;整個電池包的外面應該還會有平衡防爆閥;這個思路與Model S的設計比較一致,難點在於IP67,熱失控通道的進水腐蝕問題。

另外一個為風冷設計,同樣是在電池包上面設置風道,如下所示。

風道位於電池上蓋與車底盤之間,設計有導熱翅片,用於增強上蓋的散熱面積,以提高導熱板與單體電池之間的熱傳導效率,底板和電芯之間設置有導熱絕緣層,增大底部散熱。

無論是液冷還是風冷,所在的位置都是在電池包的上面,即介於電池包與車底盤之間,這個方案之前從沒有見過,不知如何處理電池包與車身的緊固,另外風冷還要處理好進風口的問題。

(3)CTP的方案配置

從專利來看,比亞迪CTP的方案在8種以上,對應於不同尺寸電芯和不同的布置,也考慮到了雙層電芯的方案;對於箱體的集成,CTP會有傳統的車底盤與箱體分離的傳統方案,也有二者集成為一體的集成底盤方案。

整個設計中,還缺少另外一個核心的電連接及高壓配電方案。電連接應該會利用FPC技術,這塊比亞迪走得也比較早,高壓配電可能會利用下面紅圈圈的空間,有點類似奧迪e-tron的思路,以及前端空中來的一塊空間,見上面第4個圖,類似於Model S。

我個人感覺比亞迪的這個CTP思路做得比較漂亮,可拓展和疊代性更強些,唯一遺憾的是還沒看到把整車其他部分集成進來,這點是比亞迪比CATL能夠取得的一個優勢。

以上是我們可以從專利中所了解到的一個總體概括。從昨天分享上PPT可以看出,比亞迪CTP(貌似稱之為GCTP)的集成效率能夠達到86%以上,除了大模組方案外,另有提到了用膠粘劑取代結構件的成組形式;除了功能集成鋁托盤(我個人感覺水冷設計還是有可能放到電池包底部),還有功能集成複合材料托盤。這裡要引起足夠重視,因為所點出的兩個方案趨勢,均是具有對部分上游供應鏈顛覆的走向:即膠接取代焊接等,複合材料取代金屬材料,這對搞結構件,箱體,焊接,成型設備的企業來說是重創。目前,還不知道這個趨勢有多快,在比亞迪內部又有多少的比例在更換。

比亞迪的這一套CTP技術信息量不少,我簡單梳理下我認為的要點(電芯內部除外):

(1)大電芯,大模組,電芯殼體材料/工藝是個有新技術需求的地方;

(2) CTP結構上,電芯如何固定是難點;

(3)CTP熱管理上,首次提出了電池包頂部冷卻的設計,導熱膠、保溫棉之類的是增量所在;

(4)CTP熱失控上,方案的可靠性不太好(這個方案已經有失效案例),可能會需要更多的PACK防爆閥;

(5)連接工藝上,高強度結構膠可能是未來增量所在;

(6)多功能複合材料箱體的產業化應該會加速,對搞材料的來說是好事。

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