电池PACK技术现状及未来发展趋势

锂电联盟会长 2023-04-17 09:36
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【关键信息】

体积利用率:

商用车可达到90%,麒麟电池和比亚迪CTB在60-80%,麒麟电池在乘用车方面是72%。


PACK能量密度:

三元电池255,比亚迪CTB 200,三元最多280,铁锂最多200。


C to C的问题:

(1)工艺装配问题;

(2)对电池的零部件的要求高,成本高;

(3)C to C维修的便利性和成本;

(4)商业模式、设计模式的挑战。


4680:

无模组设计方案,减少降低材料成本40%左右。成组效率,减少20-30%的成本。

圆柱形相对于方形而言,成本相对低一些,工艺比较成熟,产品一致性比较高。它的缺点是成组后散热设计难度大,能量密度相对低一些。


比亚迪e3.0:

比亚迪e3.0技术采用直冷直热的方式,热效率提高20%。


AB电池(两种材料扬长避短):

电压窗口:钠离子的电压窗口是2.8~3.5,磷酸铁锂是2.0~3.8,三元的窗口是2.5~4.2。

寿命方面,磷酸铁锂循环寿命是8000圈,钠离子是2000圈钠离子低温性能好,磷酸铁锂高温性能好。


热管理:

目前来说对于电池包的一个热管理,实际分为风冷、液冷、直冷,冷媒冷却、热泵。大家走的比较多是热泵和液冷的方案,后期还有冷煤、直冷这块,这是将来的一个发展趋势。


在直冷方面,我感觉在乘用车上应该会推下去的。但是直冷目前来说还有一个技术难点,就是他在35度电以下的小电池包上,应用效果是非常好的,但如果要是在100多度的电以上的电池包上去完全采用这种直冷方式,对热管理这块是有缺陷的。


[Q&A]
Q
C to P技术的应用?

A: 目前在商用车或乘用车领域,都有C to P、C to C技术的应用,即电芯直接到pack或者是电芯到车。目前C to P可以分成商用和乘用两个方面,目前商用车C to P的应用比较多,而且它的集成效率要比乘用车大得多。商用车和乘用车在结构上的一个不同,导致它的体积利用率可以达到90%。但是目前无论是麒麟电池,还是比亚迪的CTB结构,体积利用率实际上就是在60%~80%区间之内,体积利用率是跟结构有关的。像麒麟电池,在乘用车上的CTP技术,它的体积利用率也就是72%。

 Q
三元电池能量密度?

A: 三元电池的一个pack,就是用CTP的技术,一个pack的集成,它的能量密度也就是255。实际上它能达到这样的一个能量密度,还跟其他的技术也有关。它从排气这块进行了一个空间的节省,同时它还有一个弹夹式的反面冷却的技术,所以它是综合了好多结构,把电芯直接到pack,来提升自己的一个体积利用率。

 Q
比亚迪CTB能量密度、与麒麟相比?

A: 比亚迪的CTB技术不完全是C to P的技术,电芯到车身的体积利用率仅仅是66%,能量密度才达到了200,这是它跟CATL麒麟电池的一个劣势。在水冷热管理这一块,它实际上是采用了一个上层制冷水板的设计方案。比亚迪为什么能量密度和体积利用率比麒麟电池小?实际上它是从安全方面保留了一些电池包内的衡量的结构。材料体系没有多大的区别的,三元最多280,铁锂最多做到200。主要还是从结构上来提升体积利用率,从而提升能量密度。

 Q
比亚迪安全方面与麒麟相比?

A:从安全方面来说,比亚迪的pack从结构、从震动甚至冲击载荷这块,从一些电池认证的实验结果来看,比麒麟电池要好一些,但是为什么大家没有去说这个事儿?中国标准和认证,只要你过了认证标准和相关项目,我就认为你过了。所以二者有这样的一个区别,比亚迪为什么保留衡量或者是它的安全性更好,因为他是一个车企,它能够把电池包pack的一些结构应用到车上,车身骨架可以做的弱一些,可以用电池pack来承担一些它的模态,实际上这是比亚迪所考虑的。

 Q
宁德时代与比亚迪区别?

A:宁德时代单纯的它只是一个电池厂,它没有比亚迪这样的一个先天的优势,能够把车结合起来,这就是二者的一个区别,也是二者在设计理念上的一个不同。

 Q
目前C to P企业各自优缺点?

A:目前C to P这一块,主要电池厂实际上已经很多了,有宁德、比亚迪、蜂巢、远景动力、捷威动力的,都在做C to P的。

在乘用车方面,其实他们都有各自的一些优缺点。像蜂巢的C to P这一块,单从成本来说,它要优于宁德时代。

远景之前走的是软包的一个技术路线,但是它现在也在往方壳和圆柱的路线过渡,但是目前来说它的成本要略微的要贵一些,原因是它的量还没有上来。

 Q
蜂巢比宁德便宜的原因?

A:巢供某一些企业的话,它要比宁德要便宜一些。主要原因是,一是它要挑战市场。二是它在工艺上要比宁德这块要简单一些。

 Q
蜂巢和宁德工艺层面对比??

A:工艺层面,在商用车C to P领域,宁德对每个小电芯进行胶粘。蜂巢走的是大模组胶粘,所以它从工艺这一块能省一部分成本,而且从后期维修这一块,蜂巢也要能省一些成本。C to P实际上并不完全的是电芯到pack,实际上也可以归为一个大模组到pack。宁德小电芯到pack,无非就是为了省空间,但是蜂巢它是属于大模组,牺牲了一点空间,但是它成本和工艺这块是相对有一些优势的。
 Q
企业战略对比?

A:从企业的一个战略来说,因为宁德毕竟现在做的是很大。亿纬锂能、远景它们打成本战。

蜂巢,既有无模组方案,也有大模组方案,这就是它一个降本的手段。

捷威动力采用积木式的电池,是在大软包模组的一个概念,通过不同电池的一个厚度、长度、宽度,这样的一个尺寸比例来提高体积利用率,这样它也形成了这种C to P的一个技术。

远景,目前也在做C to P,有软包的方案,也有方形的,也有圆柱形的,但是它起步的比较晚,所以它的产品应该会滞后。目前来说软包有量产的,方壳的现在在样件阶段。

 Q
C to C现状?

A:像C to C是一个比较难的技术,维修方法和维修成本的问题。因为它是完全跟车去结合的。如何把电芯布在不同底盘上,它也是采用一种电芯胶粘上车的工艺。将来维修方法也是问题。

 Q
特斯拉一体压铸技术?

A:一体压铸目前国内来说技术不是很成熟。废品率、合格率有一定的考验。因为之前我们做了一个一体压铸的电池pack下箱体,它的废品率是相当高的。成本目前在pack厂。C to C方案,一定是要电池厂跟整车厂联合来做,这是前提条件。

 Q
C to C技术难点?

A:(1)工艺装配问题。因为对于传统的车来说,现在基本上都是传统车和新能源共线的一个生产模式。那么C to C 这种技术一旦上来,那么我这种装配工艺怎么走?目前这样的一个量能不能支撑下去?实际上这也是主机厂甚至电池厂要面临的一个问题。
   (2)对电池的零部件的要求高,成本高。因为电池本身pack是有密封要求的,基本上是IP68或者IP69的防尘防水要求,那么到车上怎么去密封?因为车一装起来,整个车身的框架焊接或是铆接都有一些工艺的变形,要如何控制?因为一旦有一些变形,就会对密封造成一定的困难。所以说对电池零部件要求要很高。要求高了,其实成本也就高了。零部件的采购成本,制造成本都会高。
   (3)C to C维修的便利性和成本。如果是C to P就是电芯到pack,可以把pack拿下来,进行维修。但C to C不方便维修,而且即使是在举升架上,你把电池打开了,下箱机打开了,你怎么去维修?这都是将来这一种结构所面临的一些困难,所以有可能最后我们要更换很多,就单个进行更换会非常的难,有可能会走那种大模组到车。
   (4)商业模式、设计模式的挑战。需要主机厂和电池厂联合起来做C to C的方案。在车型开发最前期,甚至在车型产品策划前期,电池厂就要介入车型的设计。需要主机厂将自己的车型规划和核心技术,释放给电池厂。现在电芯的规格也不一定能完全满足主机厂电池空间布置、性能等方面的需求,但这又存在一个问题,因为目前电芯的设计是完全掌握在电池厂的。那么电池厂能不能把电芯的技术释放给主机厂,这也将来是商业运营模式的一个突破点,这是从C to P过渡到C to C这样的一些思考。

 Q
4680圆柱形方形对比?

A:4860采用圆柱形,国内如宁德主打方形。对比如下:

从安全性来看,方形和圆柱形安全性是一样的,基本上都是相对好一些的。从电池一致性这一块来说,圆柱形要比方形的好,因为它工艺相对比较成熟。从设计的灵活性来说,实际上方形要好,要比圆柱的好。循环寿命方面,方形的要比圆柱的好一些,充放电费率也好。成组效率方面,即体积利用率,二者是基本相当的。

 Q
方形优缺点?

A:方壳的优点主要是它的封装比较好,可靠性比较高,安全性好一些,它的能量效率高,能量密度也比较高,结构相对简单,扩容也相对方便一些,这是它的优点。缺点方面,它型号比较多,由于国内在方形这块没有一个完全的标准,所以它型号比较多,工艺比较难统一,各家自己做自己的。第二就是生产自动化水平不高,这就导致了单体的差异性,一致性不是很好,存在系统寿命低于单体寿命的问题。

 Q
圆柱形优缺点?

A:圆柱形相对于方形而言,它成本相对低一些,工艺比较成熟,产品一致性比较高。它的缺点是成组后散热设计难度大,能量密度相对低一些。

 Q
4680的技术进步?

A:实际上4680出来之后,因为它走的是一个大圆柱形的,它的安时也都能做上来,它能量密度相对能提上来一些,而且4680这块,大圆柱电池对热管理的要求要降低了,能够克服圆柱的一些缺点。这就是为什么大家选择了4680这样的一个技术方案。

 Q
为什么大家都走方形?

A:从我个人角度来说,我其实比较倾向于4680的圆柱技术。因为方壳,我个人推测是因为catl大家都走方壳了,catl这么大的一个量,不可能让它再去重新改变自己的生产工艺,重新建线,去生产圆柱,所以国内也就都走方形的技术路线。
 Q
特斯拉走4680的原因?

A:它肯定是从布置或是从结构、维修、密封等方面,有自己的技术优势的。因为4680从制造端,是能够节省产品成本的。像电池设计,就电池C to C,电池设计这块,它实际上是采用了无模组的设计方案,能减少结构的复杂性和零部件的一个数量,就能降低材料成本40%左右。成组效率方面,相对来说,也基本上能减少20%~30%的成本。它唯一的缺点还是维修,这是它的一个弊端。

4680不仅仅是C to C的技术路线,它还有干法电极、高镍、高硅等综合的结构,最后能够造就一个长续航、快充和低成本的方案。
 Q
4680散热问题?

A:其实它在结构上也有很大的一个改进。原先是蛇形底部的一个散热,现在是蛇形加三面的一个设计,可以围绕着圆柱进行一个散热,这对安全和对电芯的一致性都是有帮助的。另一方面,大家比较关注的是4680安不安全?目前来看,它从结构、热管理方面来说,它是安全的,因为它的散热面积增大了很多。
 Q
比亚迪3.0技术?

A:从整车来看,它主要是采用了一个刀片、电池车身一体化设计,就是C to P 的一个设计方案,同时它采用了多合一的动力集成化的控制单元,有四驱和八百伏快充的架构。在高效方面,它现在说的是突破1000公里,实际上我们感觉是有一些水分的,因为它的1000公里肯定是最优的行驶工况。如果把它放在东北,或是放在寒冷的环境下,这个里程是会打折的,而且它的1000公里肯定是匀速的,匀速60公里的工况。目前我们是这样的一个推测。我们比较关注的是它的800伏的快充这块,我感觉是这还是走在了一个前列。它为啥能做到这样,跟它的热管理,电池pack的热管理有很大的关系,它采用了一个直冷直热的技术,把热效率大约提升了20%。这样就是间接地在省电了,能够降低能耗的损耗。这是它电池方面的技术。在智能化上他也有一些,因为智能化不是咱们今天关注的一个重点,就不细讲了,智能化其他的主机厂也都在做。这是对比亚迪3.0平台的优势比较。我们比较关注的就是它电驱升压的快充技术,和它极冷极热的一个技术。

 Q
BMS的应用?

A:BMS这块,目前大家还是采用菊花链的分布式应用方式,为什么采取这种方式呢?还是从成本方面来考虑。但是现在无论是商用车和乘用车都在走外部CAN和内部CAN通信的技术方案,这样能使得BMS的交互更准确一些,所以走CAN通信的技术方案。在无线BMS方面,我们是没有做这样的技术的。目前因为这个技术还不是相对成熟,会带来误传信息、信号干扰等负面问题。没有做过深研究如何推向市场。
 Q
AB电池是什么?将来面对的问题?

A:从材料体系来说,磷酸铁锂、三元钠离子等电池,甚至石墨烯电池,在寿命、能量密度、电压窗口等等,都有各自的优缺点。AB电池其实就是磷酸铁锂和三元结合,或是钠离子跟磷酸铁锂去结合,各自发挥各自的一个优缺点,然后扬长避短,这是它的设计理念。大家所关心的就是,你怎么去控制?我们对AB电池将要采取的技术路线,也做了一个分析。我们举了三个例子,就是钠离子磷酸铁锂和三元这三种材料去做AB的一个配方,钠离子的电压窗口是2.8~3.5V,磷酸铁锂是2.0~3.8V,三元的窗口是2.5~4.2V。他们的电压窗口都不一样,SOC算法怎么把电压窗口去识别或是归纳进来?像寿命方面,像磷酸铁锂循环寿命它是8000圈,钠离子是2000圈,我用磷酸铁锂的长寿命去抵消钠离子的短寿命,那随着电池的老化,它的老化规律又是啥样的?实际上这一块在行业上还没有摸清,尤其二者掺在一起,老化之后,电压平台是什么样的?寿命曲线是什么样的?实际上这也是将来ab电池是所要面临的一些问题,这是宁德时代推出来的,但是我个人感觉他还有很多问题没有解决。单一材料还有一些技术问题没有攻克,两个不一样体系的材料揉在一起,BMS是怎么去管?怎么能确保AB电池的寿命关系和老化问题,因为寿命是跟老化有很大关系的,跟安时容量也有很大关系,两种不同材料,它的安时容量曲线和寿命曲线都不一样,BMS该怎么去做?这肯定是一个难点。

 Q
如果有了电芯的SOH的寿命模型的话,BMS是否能实现对两种体系电池的一个管理呢?

A:理论上是可以的,但是这是对于pack来说。但是pack上车之后怎么来应用?我举个例子,就是说功率。因为在极寒的情况下,钠离子的低温性能比较好,磷酸铁锂比较差,把这两个材料体系揉在一起,它就是为了解决低温的一个问题。因为钠离子的低温性好,磷酸铁锂低温性不好,那么我就要用钠离子去解决低温的问题。那么你是把低温问题解决了,说在零下20度SOC可以达到90%。

从整车需求来看,比如在20℃和零下20℃的功率需求都需要400干瓦的功率,需要多布置钠离子电芯来满足400千瓦,剩下铁锂就是摆设了,增加了整车成本。所以车上整车管理要多用电池才能满足不同温度下功率需求。其他还有快充的融合,快充钠离子是比较好的,磷酸铁锂是一般的。钠电和铁锂混用还有电池均衡的问题。
 Q
4680在国内的话,还有特斯拉的进度?

A:这块我了解一些,因为4680在国内,像远景、catl他们也都在做,也都在做扩展,国外肯定是特斯拉在用。实际上国外商用车Scania也在用4680。

 Q
之前有说特斯拉的焊接有问题,你有没有了解情况,他有没有解决这个问题?

A:焊接问题,之前确实是说它的成品率不高,但是后来他通过改变焊接工艺,把这个问题好像解决了不少。但是具体工艺怎么解决的,没有过多了解。

 Q
4680的未来格局?会改变方形格局吗?

A: 4680有自己的一个优势,但是从国内来说,因为现在还是CATL独大,CATL最初走的就是方壳路线,已经铺了很多,再布局卷绕的4680圆柱工艺,是商业运营模式的问题了。从技术来说,个人比较推崇4680,但4680它不一定行。4680是比方壳要小很多,但是它到车上不一定比方壳要少。从电量来看,因为4680它是圆柱形的,车上边角可以排布,但是大方壳,到车上有可能有一个小的地方,根本就布不下一个电芯。所以你从整车布局这块,4680更具有一些便捷性,甚至它的电量会更高一些。这是从整车角度来分析。但是4680实在管理这一块,BMS管理这块,因为它毕竟电芯多了,像BMS管10个方壳和管100个圆柱,它的成本或者它的算法或者精确度都是不一样的。特斯拉是走的神经网络,跟国内不一样的,国内的SOC主要走的是安时积分算法。所以如果4680能走下去的话,因为还有46120等等,首先它得把BMS管理即算法和一致性方面要做好。

 Q
BMS应该由是车厂来解决这个问题吗?

A: BMS现在国内有两种形式。第一种模式,是电池pack和BMS打包供过来,如宁德时代。第二种模式,是主机厂自己做BMS,自己打包。第二种在乘用车上基本上是主流。第一种,在商用车上应用的比较多,因为BMS毕竟还是一个核心的东西,因为它跟整车的技术协议和通信是挂钩的。所以主机厂不想把核心信息释放给电池厂。但目前来看,实际上主机厂缺的是对电芯的一些技术掌握。有一些电性能、寿命怎么结合车去做,BMS管理等电芯数据主机厂是拿不到的,在电池厂手里,所以这一块也是主机厂做BMS受限的一个点,但是主机厂还不想把BMS拿出去。但是这两种方式其实都有弊端的。BMS的一些基本性能主机厂拿不到,车的一些应用工况,电池厂,就是BMS拿不到。所以这一块从产品开发来说是有弊端的,这就是一种商业模式导致的。如果将来主机厂去做电芯,我感觉这个问题会解决。

 Q
未来热管理的发展方向?

A: 热管理对于电池来说还是很主要的。目前来说对于电池包的一个热管理,实际分为风冷、液冷、直冷,冷媒冷却、热泵。目前来说大家走的比较多是热泵和液冷的方案,后期还有冷煤、直冷这块,这是将来的一个发展趋势。

 Q
冷煤直冷的技术弊端?

A: 在冷媒方面,它采用的是22134a这样的一个冷媒介质,它冷媒的低温性能是不好的,就是在零下15度,它的热效率下降是比较明显的。解决方法实际上也就是用PTC、液冷进行辅助来解决。

在直冷方面,我感觉在乘用车上应该会推下去的。但是直冷目前来说还有一个技术难点,就是他在35度电以下的小电池包上,应用效果是非常好的,但如果要是在100多度的电以上的电池包上去完全采用这种直冷方式,对热管理这块是有缺陷的。同时成本问题,现在用的相对少一些,零部件采购成本要高一些,将来如果大面积的普及下去,这个成本应该也会降下来。

文章来源电池工匠 车乾信息,本文转载仅仅是出于传播信息的需要,如有任何问题请联系编辑。
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