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刀片電池:利刃的另一面

電動汽車觀察家 2020-04-03 08:43

刀片電池
這幾天,新能源汽車汽車媒體上、微信群里,“刀”光閃閃:比亞迪發布的刀片電池,引發重重熱議。
 討論最多的,是刀片電池在安全性和體積能量密度上的突破。能夠輕松通過針刺實驗、將體積能量密度提升50%的表現,對當前動力電池安全性和高比能難以兩全的困局,給出了很好的解決方案。 也有很多人,試圖探究“刀片電池”利刃的另一面:這么長的電芯,能否應對不同車企的匹配需求?安全性和體積能量密度之外,其他性能如何? 1刀片電池適配性 刀片電池形如刀片,此刀,可長可短。 從專利信息看,刀片電池長度可以在600—2000mm之間。由于刀片電池長度和電池包寬度一致,因此覆蓋了幾乎所有乘用車的電池包寬度尺寸。 

刀片電池長度基本和無模組的電池包寬度一致
資料來源:比亞迪專利CN201911012284 而且,從專利看,刀片電池也支持有模組的電池包,從而支持更大型的車輛。從CN201920942022專利來看,在其中一個實施例中,電池包采用了四個刀片電池形成的模組。 


刀片電池成組為模組,再組成電池包的實施例資料來源:比亞迪專利CN201920942022 靈活性有了,通用性如何? 如果都采用無模組形式,不同的電池包寬度需要不同長度的刀片電池。如果比亞迪要把刀片電池賣給各個廠家,就需要做出不同長度的刀片電池。 從刀片電池的專利來看,一個刀片電池內,包含多個容納腔,每一個容納腔包含一個極芯,容納腔通過隔板隔開。看上去就如同幾個電芯組成一個串聯模組。 

資料來源:比亞迪專利CN201911012284
 那么,合理的推測是,比亞迪完全可以通過增減容納腔的數目,來調節刀片電池長度。而每一個腔體和極芯,都可以是標準化的。刀片電池如同水管,可以接長一些,也可以接短一些。 這樣一來,盡管可能不同客戶需要不同長度的刀片電池,但它們共用標準化的容納腔、極芯等部件,還是能夠實現標準化、規模化生產的。 另外,比亞迪在推廣刀片電池的之前,就先將其標準化e平臺推向全行業。如果客戶采用e平臺,雖然可以有不同的電量配置,但采用的刀片電池的長度一致,更有利于規模化生產,分攤生產成本。 

比亞迪e平臺 2磷酸鐵鋰壽命長 磷酸鐵鋰電池另一個顯著的特點是循環壽命長。刀片電池的壽命可以達到什么水平? 在2020年1月份的百人會論壇上,王傳福就提到,采用刀片電池的車輛,整車壽命可達百萬公里以上。 比亞迪漢真的能做到百萬公里么? 眾所周知,整車的續駛里程與電池的循環壽命和車輛續駛里程息息相關。 首先要搞清楚磷酸鐵鋰電池包現階段的循環壽命。 為此,《電動汽車觀察家》特意向六七位一線電池專家咨詢了磷酸鐵鋰電池包壽命情況。綜合他們的觀察,目前中國車用磷酸鐵鋰電池包,實驗室測試循環壽命在3000次左右沒問題。而實際運營當中,至少也可以達到2000次。 以比亞迪漢為例,NEDC續駛里程是605公里,即使按2000次循環論,其壽命也將達到120萬公里以上。 從實際運營看,電池壽命確實可以做到百萬公里以上。2010年比亞迪在深圳投放的e6電動出租車,在2018年時就有單車行駛里程超過100萬公里,并仍能正常運營的先例。 

比亞迪e6出租車

如果說在十年前的電池技術下,行駛百萬公里是個別現象;那么相信如今,百萬公里續駛里程已經能夠成為普遍現象。 3低溫性能、充電倍率如何? 動力電池的應用,還需全面考慮其他性能,業內人士也特別關注刀片電池的低溫性能和充電倍率。 從刀片電池的相關專利,我們大致還是能看出一些比亞迪的低溫解決方案。專利CN201920942022在論述空間利用率時提及,外圍部件會占用電池包內部空間,包括液冷系統、保溫材料等。 從電動車企的電動汽車溫控方案歷程看,基本上都從風冷發展到液冷。此前,騰勢電動汽車的磷酸鐵鋰電池,電池正負極使用了包碳工藝處理,以應對低溫環境問題。另外,比亞迪在唐EV等車型上,已經應用了第三代電池智能溫控管理系統,具備低溫加熱功能。 目前,還沒有確切資料來判定刀片電池的低溫性能,但比亞迪可以在材料改善、溫控系統方面加以提升。 

刀片電池
在充電倍率方面,來自比亞迪的消息稱,刀片電池快充可以達到1.5C,峰值可以達到2C。以此推算,至少在0-80%階段,30-40分鐘可以完成。與一般三元電池的充電倍率一致。 4安全性能提升 話說回來,刀片電池的刃還在安全。 (1)磷酸鐵鋰天性安全 中國動力電池創新聯盟副秘書長王子冬曾公開表示,動力電池是一種含高能物質的部件,具有危險性的本質,而且,隨著電池比能量和比功率的提高,發生事故的危險性將增大。 王子冬打了一個比方,動力電池就像是把“火藥桶”“助燃劑”和“打火機”關在一個小屋子,然后用一層“保鮮膜”隔開。他解釋說,“動力電池系統的易燃物是電解液,它與助燃劑氧氣(三元正極材料遇到高溫時會分解生產氧氣)和火源(內短路、過充都會產生高溫)被密封在同一個容器環境里,因此它的安全不確定性也就顯得尤為突出。” 借用這一比喻,我們可以看到,刀片電池很好地遏制了自燃風險。 首先,磷酸鐵鋰電池的自燃溫度要遠遠高于三元電池。 實驗室數據顯示,三元電池的自燃溫度是200℃,即到達此溫度時,三元電池的材料就會開始融化、自燃,直至引發爆炸。而磷酸鐵鋰電池的自燃溫度則是500-800℃,也就是很難“點著”。相當于“打火機”被扔出了小屋子。 其次,磷酸鐵鋰電池不釋放氧氣,就沒有助燃劑。鐵離子氧化能力不強,磷酸鐵鋰電池在充放電時,不會放出氧氣,自然也就難以與電解質發生氧化還原反應,這使得磷酸鐵鋰電池充放電過程處在一個相對安全的環境中。沒有了助燃劑,磷酸鐵鋰電池基本在熱失控時只會冒煙。 (2)針刺試驗進一步證明 為了進一步驗證刀片電池的安全性,比亞迪做了一項在國標中已經取消的測試——針刺測試。 所謂針刺試驗,是將充滿電的電池放在一個平面上,用直徑3—8mm的鋼針沿徑向將電池刺穿,一小時內不發生起火和爆炸,視為合格。目的是模擬電池的內短路的過程,以檢測電池的安全性。 刀片電池發布會上的視頻可以看到,刀片電池的針刺試驗結果要明顯優于三元電池,以及傳統磷酸鐵鋰塊狀電池。 三元鋰電池在針刺之后,劇烈燃燒,表面溫度超過500攝氏度,電池表面的雞蛋被炸飛;磷酸鐵鋰塊狀電池針刺之后,無明火,有煙,表面溫度200-400攝氏度,電池表面的雞蛋被烤焦;而比亞迪刀片電池在針刺之后,不僅無明火,無煙,而且表面溫度只有30-60攝氏度,電池表面的雞蛋無變化。 

資料來源:刀片電池發布會上的視頻 為何刀片電池能夠通過測試? 中國科學院院士歐陽明高解釋說,刀片電池表現良好大約是兩個方面原因:一方面,刀片電池是一個長條形的電池,所以它的散熱面積比較大;另外一方面,當針刺的時候,刀片電池短路的回路比較長,所以產熱的能力相對要下降。由于刀片電池的溫升速率比較小,因此針刺試驗表現很好。 雖然在中國電池針刺試驗已經被取消,但在國際上,這項試驗并不少見,例如SAE J2464、UL-2580及SAND2005-3123等標準還是有針刺測試要求的,此外,非標準法規FreedomCAR等也有針刺要求。

資料來源:SAE J2464

 現實生活中,貫穿、刺破電池造成內短路的情況時有發生。被媒體報道出的事故就有多起,典型的例如2013年特斯拉底盤碰撞到了掉落在路面上的拖車掛鉤,正好形成一個穿刺姿勢。電池包底部被掛鉤尖銳處刺入,車輛電池短路,并著火燃燒。 (3)結構安全再提升 電池包的安全還體現在結構強度上。傳統電池包一般只有4-5根梁,而刀片電池是讓每一個電芯都充當結構件,100個電池就是100個梁,其強度可想而知。 

比亞迪集團副總裁兼弗迪電池董事長何龍介紹電芯強度原理 此外,刀片電池還借鑒了非常成熟的蜂窩鋁板的結構原理,在100個電池組成的電池堆的上下兩面上,粘貼兩塊高強度的強度板,形成了類似蜂窩鋁板的這種結構,使強度再次升級。 

蜂窩鋁板 5有效提升體積能量密度 刀片電池采用磷酸鐵鋰,安全性的優勢并不讓人意外。但是刀片電池有效提升了體積能量密度,使得他能夠在乘用車上無顧慮的使用,堪稱革命性的提升。 隨著2019年版補貼政策的大幅退坡,搭載磷酸鐵鋰的乘用車明顯增多。 2019年第8批《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》(簡稱《目錄》)中, 奇瑞新能源新款小螞蟻開始出現磷酸鐵鋰版;第10批《目錄》,東風小康EC36和長城歐拉R1,也開始出現磷酸鐵鋰版本。 不僅如此,《目錄》中磷酸鐵鋰車型總量也在增加。去年第11批《目錄》,共包含146款車型,磷酸鐵鋰電池配套87款車型,占比接近60%;第8批《目錄》中,磷酸鐵鋰占比更是高達69%。而這一數據在去年年初的第1批《目錄》中,僅為45%。 但是,業內普遍認為,由于能量密度的限制,磷酸鐵鋰適合的續駛里程多為300公里左右,很難做出更長里程的車型。 不過,刀片電池將磷酸鐵鋰的續駛里程推到了600公里。 

資料來源:新能源汽車推廣應用推薦車型目錄(2020 年 第 2 批) 這是由于刀片電池優化了電池包的利用率。 發布會上,比亞迪集團副總裁兼弗迪電池董事長何龍對此進行了一個形象的比喻,電池包相當于一個房子,房子中的梁和柱多了,可利用的空間就小了。 一般來說,傳統電池包中有一般有4—5根梁,電池模組里面電池的空間利用率只有80%,其他都是模組的結構件,例如端板和側板等結構。電池模組在電池包里邊的利用率僅為50%;電池到模組的空間利率80%,由此可以算出,電芯在電池包的占比僅為40%。 但是,如果比亞迪將電芯拉長,并固定在電池包的邊框上,這樣電芯既是能量體,同時電芯殼體又可以作為電池包的結構梁,這樣固定和強度的問題都得以解決。同時,電池包的空間利用率提升了50%,可以達到60%以上。 

資料來源:比亞迪刀片電池發布會 也就是說在同等體積下,比亞迪的電池包可以裝更多的電芯,車輛的續駛里程便可以得到大幅提升。 刀片電池從被外界所知起,就引發了持續關注。刀片電池突出的優勢,讓安全與高能這對死敵得以和解,引領了全球動力電池安全新高度。而在可規模化生產、壽命、低溫性能、充電倍率方面,刀片電池也將逐步褪去面紗,讓我們更加全面考察刀片電池各項性能,從而對刀片電池前景得到更加確定的答案。(完)


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