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寧德時代CTP與"刀片"電池的構型淺析

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發布:liuxianglong 來源: 電動知家
PostTime:18-2-2020 09:22
作為國內新能源技術的輸出者,寧德時代和比亞迪都已經在這股趨勢之上,發布了自己的電池集成化技術。

以下為文章全文:(本站微信公共賬號:cartech8)


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作為國內新能源技術的輸出者,寧德時代和比亞迪都已經在這股趨勢之上,發布了自己的電池集成化技術。

很顯然,在政策與成本競爭的雙重倒逼作用下,新能源技術需要不斷向低成本、模塊化和標準化演進。而"技術成本"的下降在此時絕非壞事,包括貴金屬材料成本、研發和制造成本的降低,會大幅減輕整車的規劃壓力,一方面給品質提升預留更大空間,一方面保持價格優勢,提升整體性價比。

實際上,特斯拉Model3所采用的基于21700集成化大模組已經展現出了這種趨勢的效果,相對此前Model3僅電池成本就降低了35%,這在很大程度上幫助Model3成為全球市場的重磅炸彈。

Model3(參數|圖片)大模組解剖圖)

而作為國內新能源技術的輸出者,寧德時代和比亞迪都已經在這股趨勢之上,發布了自己的電池集成化技術。寧德時代CTP(CellToPack)技術路線基于高鎳三元(參數|圖片)鋰架構,其核心是減少了模組數量,直接由多個大容量電芯組成標準化電池包,再靈活堆疊組成更大的電池模塊,適應不同車款的儲能需要。而比亞迪的"刀片"電池則基于其所擅長的磷酸鐵鋰技術,電池單體同樣向大容量進化,但電芯形狀更加扁平、窄小(長邊可以定制變化,單體最大穩定長度可以達到2100mm),因此形象化的取名"刀片"。多個"刀片"捆扎形成電池包模塊,通過少數幾個大模組的組合成電池模塊。

兩種技術狀態在減少模組結構、提升封裝效率上可以說是殊途同歸的,大幅減少單體連接線束以及相關的流程工藝成本,大幅度提高成組效率(能量密度),不過從應用角度來看,還是能發現一些區別。

從結構耐久性上看

作為布置在車底的大質量單體部件,電池模塊必須考慮結構強度對于復雜用車環境的適應性。側向碰撞的抵御能力是最顯而易見的需求,而往往廠家通過電池包外殼的結構和材料運用提升這一方面的能力。不過,對于長期使用的私家車而言,普遍采用非承載式車身,沒有大梁,電池結構還需要能夠承受車身反復形變帶來的長時間應力變化。

(電池包受扭轉力仿真模型圖)

通過結構分析,我們可以看到,寧德時代CTP技術因為考慮到體積封裝效率的最大化,大模組之間的連接可靠性更容易受到對角線反復切應力的影響,對于高壓線束和冷卻系統的連接挑戰比較大,長期使用的可靠性有待驗證。而比亞迪"刀片"電池實際上仍然保留了模組封裝和電池包封裝的整體構型,同時從專利圖可見,其電池包封裝將有可能根據車型需要,預留形變空間,避免超薄大電芯直接受力。從結構耐久性上看,比亞迪刀片電池封裝更容易做出可靠的產品。

不過,這樣的保險結構也會帶來其他問題,從目前公布的數據來看,比亞迪采用體積功率密度作為衡量指標,而沒有公布大家已經普遍使用的重量功率密度數據,可以猜想其結構重量疊加鐵電池本身的比能不高效果,導致其在工信部標準測量平臺上重量功率密度并沒有顯著突破,根據之前的信息預計,刀片電池成包重量功率密度可能達到180Wh/kg左右,處于目前的主流水平。

從結構匹配性上來看

寧德時代作為單一的電池和相關技術供應商,需要面對更多產品配型的考慮。不過,從目前的專利細節上看,CTP大模組的高度是不可改變(而且并不夠輕薄),同時需要配套配型外殼,以適配安裝在不同的車型上。這樣的結構需要整車廠家在產品規劃上相應作出調整,而比較困難的問題在于目前還沒有大規模銷量作為開發的支撐,廠家針對單一電池供應商的配型需要做設計調整風險是非常大的。這可能也是其呼聲大,但真正計劃投產少的原因之一(目前已知北汽確定將會裝車投產)。

(寧德時代CTP電池大模組解剖圖,左側為商用車大模組參照)

作為自己就生產新能源汽車的比亞迪來說,"刀片"電池可能從一開始就考慮到了自家產品的多規格適應性需求。"刀片"的窄邊做得盡量小,這就意味著在垂直高度上可以更容易適應高底盤和低底盤車型的需要。而在未來,更可以基于此開發超薄底盤的多功能車,讓用戶的使用空間更多,挖掘新能源車的優勢。同時,我們也看到,這種超薄電池的疊壓應用可能,這可能是為商(參數|圖片)用以及高底盤大型SUV產品準備的,能夠存儲更多的能量。

(刀片電池高度更有優勢,適配車型靈活)

從單體構型特點上看

寧德時代CTP電池的另一個特征是單體電芯的大容量化,單體容量從最初的50Ah到現在的超過200Ah,大大減少了殼體的占比,同時在充放電倍率不變的情況下,采用簡單的串聯結構就可以輸出或者是接受更大的電流(提升動力和充電便利性)。另外,寧德時代目前公開的資料顯示,CTP電池組仍然會采用方殼封裝,考慮到目前高鎳電池的穩定性,這種封裝應該是比較好的選擇。

比亞迪"刀片"電池的單體設計最初讓我感到有些意外。首先,如此大的單體長度并不是一種穩固的力學結構,受到側向力時的形變抵抗能力非常弱,而通常電池工作時會帶來內部壓力導致外殼膨脹,進而向周圍電池施壓。所以在成組時不得不謹慎考慮間隙問題,一方面要防震,一方面是消除側面受力,在這方面還缺少證據。

(刀片電池對側向力抵御比較脆弱)

而另外的技術挑戰可能來自于電芯內部卷繞方式,猜測其內部會采用多個電極+多個獨立卷繞單元的形式,實際上可以看做是多個小電池組成一個大電池只不過這些小電池共用一個封裝。這對于每個單元的均一性挑戰非常大,因為電池性能總會遵循木桶原理,最差的那個決定了整體表現!

最終總結

整體來看,寧德時代CTP電池和比亞迪"刀片"電池是各有千秋的。寧德CTP功率密度更高,成組效率更高,對于大多是整車廠成本控制更為友善,也更容易在重量一定的前提下,推出更長續航能力的產品;而比亞迪的"刀片"電池在結構靈活性和耐久性上更具價值和想象空間,大大增加了鐵電池的性能表現,讓其從商用或者是低端產品用,重新回歸主流,這不得不說也是一種可觀的進步。

而從另外的角度來看,兩者的技術架構差異也表明一個事實,雖然兩家企業同為新能源汽車的技術輸出者,但比亞迪本身作為整車廠的技術累積是有優勢的,這種優勢可能不取決于單一指標的提升,更多是對用戶環境的理解和合理化解決,我想著也應成為其長期價值的立足點。

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