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技术讨论|软包电芯的成组路径

2022/09/14
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在软包电池的迭代上,过往LG能源两次的召回带来的影响特别大,尤其是在全球导入EVS-GTR的要求,都有5分钟预警的要求。对于电池热失控,目前圆柱电池和方壳电池都是朝着No Propogation(NP)的目标来做的,因此我们看到目前全球的方案主要分为几类:

●软刀:这个其实类似比亚迪那种,多个电芯串联转入壳体。这个其实也有变种,类似做一个非金属的壳体支架,来做这种成组设计。

●短刀和长刀:给电芯裹上绝缘膜以后装入方壳电池,然后按照双端出的办法来做。

●大模组或者Module In Pack的概念:把水冷板集成到模组里面,做2-4个超大模组,这样也能实现比较高的成组率。

●SPS:这次孚能发布的设计,我们重点来看下。

我是觉得下一步全球做电池方案,短刀和长刀方案成为主流的设计,孚能这个到底行不行我们仔细来看看。

▲图1.全球的方案

Part 1、成组方案

这个全新动力电池解决方案叫SPS(Super Pouch Solution),大软包电芯、大软包电池系统、大软包电池制造,我觉得这三个能串起来,回收这个我是没看到串起来的特性。

▲图2.大软包电芯、系统和制造三个环节

这个设计原理,有点像上汽的魔方电池,由于大软包电芯比较薄,所以卧式布置设计的孚能科技SPS,这里确实更容易调配一些。按照孚能的说法,可以使电池系统部件减少50%,材料成本降低33%,提升体积利用率到75%。

▲图3.设计特性

这种设计,是给软包电芯做个壳体,然后让他们堆叠在一起。高效液冷板和导热片的复合使用给大软包电芯提供了“双面液冷,三面传热”的高效热交换,电池系统的散热效率提升4倍。这个和之前AESC的差异,最主要是说,大软包电芯形成6面防护,配以高效排气通道的设计和热交换能力,SPS大软包电池系统配置8系或更高镍含量的电芯,单体电芯的热失控不扩散(NO TP),这个我理解是一颗挂了以后,一个堆叠的模组烧起来,但是整体不烧,和魔方电池是一摸一样的。

▲图4.软包大模组的设计

 

▲图5.热失控下电芯的特点

 

Part 2、电芯和成组的兼容性

在这里,电芯的设计改变主要是通过全极耳、多极耳大软包动力电芯,因此可以通过Tab的输出来做一些特殊的处理,在Tab这边降低一些链接阻抗。电芯的设计方向:

●一种是具备从2.4C到5C甚至更高的充放电倍率(2.4C、3C和4C三种倍率快充电芯,对应带电量150kWh、100kWh和75kWh)。

●另一种是应用半固态电解质,降低液态电解液的用量,提升电芯的本征安全,做高能量密度电芯。

所以这种做法,是在以上的NP设计中,去对材料体系的高度兼容,覆盖高镍三元到低镍富锂锰、磷酸锰铁锂、钠离子等材料体系。

钠离子电池、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂等计划在2023年推出第一代产品,目标是到2030年将钠离子220Wh/kg,磷酸铁锂和磷酸锰铁锂的能量密度形成从200Wh/kg到240Wh/kg的产品覆盖。

低镍方面,在2024年推出250Wh/kg的低镍富锰体系产品, 2030年290Wh/kg。

备注:这里能把高镍做好了就挺好的。

▲图6.不同的兼容性,基本和CATL的路线图差异不大

当然半固态大软包电芯直接集成于系统底盘,这种方式我是没看懂,不过我的理解就是一个个块堆起来,整个方式是不变的。

反正好处是换电芯和换堆叠高度(调节卧式布置的大软包电芯厚度,灵活调节电池系统的底盘高度),来兼容SUV和轿车(85mm到145mm)。这个在方壳设计的魔方电池上面,也做过尝试,但是方壳兼容来做不同厚度就是不同电芯,叠片会更容易点。

▲图7.设计出不同的弹性

小结:

我觉得之前LG给GM的跑车做的堆叠方式,其实和这个有点类似,缺点是能量密度没做太高,可能隔热的材料加的少,主要是需要用比较性价比高的材料做隔热填充,并且通过外部的水冷系统持续散热,可能能做到NP吧。

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笔者 朱玉龙,一名汽车行业的工程师,2008年入行,做的是让人看不透的新能源汽车行业。我学的是测试和电路,从汽车电子硬件开始起步,现在在做子系统和产品方面的工作。汽车产业虽然已经被人视为夕阳产业,不过我相信未来衣食住行中的行,汽车仍是实现个人自由的不二工具,愿在汽车电子电气的工程方面耕耘和努力,更愿与同行和感兴趣的朋友分享见解。