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电池系统能量提升“争奇斗艳” 大模组/无模组时代加速到来

来源:电池中国网    时间:2020-05-23 10:39

能量密度是动力电池最关键的核心指标之一,从很大程度上来讲,整车在同等质量下动力电池的系统能量密度越高,电动汽车的续航里程则越长。近年来,随着锂电池技术研发的不断深入,动力电池系统的能量密度在逐年提升。特别是龙头企业,在电池系统能量密度提升方面争奇斗艳,“八仙过海,各显神通”。

能量密度提升空间巨大

“动力电池在能量密度上有非常大的发展空间,潜力无限,值得大家发挥优势,共同去研究,为未来出行提供更强动力。”蜂巢能源科技有限公司总经理杨红新表示,能量密度足够高时电池体积可以大幅缩小,甚至能缩小到只占电动汽车底盘中间通道位置,而且几乎碰撞不到,安全系数也有提高。

从数据来看,工信部公布的《新能源汽车推广应用推荐车型目录》(2020年第5批),纯电动乘用车车型的电池系统量密度大幅提升,电池系统能量密度在160Wh/kg及以上的车型已占据半壁江山。其中,SKI为北汽高端品牌极狐配套的ARCFOX α-T,其系统能量密度已经高达194.12Wh/kg。

实际上,2019年动力电池系统能量密度呈现明显增长趋势,市场上已批量应用的三元电池和磷酸铁锂电池系统能量密度最高分别可达 182.44Wh/kg和144.9Wh/kg,较2018年同比增长10.3%和2.3%。在国家财政补贴政策和市场的双重作用下,2019年140Wh/kg及以上车型已成为市场绝对主体,140(含)-160Wh/kg和160Wh/kg以上车型产量占纯电动乘用车总产量的比例分别为63.1%和29.1%。

电池包系统层级创新优化

当然,提高电池能量密度方式有很多种,材料优化是主要途径。例如近年来在乘用车领域,传统的磷酸铁锂市场份额逐渐被三元所蚕食;而在三元领域,越来越多的动力电池厂商从NCM111和NCM532向更高镍的NCM811和NCA材料进发。除了通过改善电池材料性能,以提升电池的单体能量密度以外,电池包系统层级的创新优化也是一种提高能量密度的有效方法。

今年5月,江淮全新电动轿车江淮iC5正式上市,采用了NCA(镍钴铝)21700圆柱电池单体,相比于广汽Aion S和几何A搭载的NCM 811电池,NCA电池的能量密度更高。而最大的亮点,江淮iC5的电池组采用了“蜂窝”结构的仿生设计,采用全新的UE(Unitized Encapsulation)外延包覆模组技术进行单元化封装。“蜂窝”结构的电芯尺寸小,模组结构灵活,可以充分利用电池包不规则空间,获得最大电池包能量,实现了530km的超长续航。

众所周知,目前市面上常见的电池包(pack)很多基于小模组+电池包内各种固定件、支撑件得来,过多的结构组件占据了相当多的体积和质量,所以整体集成效率大大降低。而简化电池包上的装配支撑结构,使得整个电池包结构明显简化,甚至形成近似于电芯-电池包的两级集成方案,也成为不少企业倾向选择的技术方向。

在电池包的集成简化方面,宁德时代的CTP和比亚迪的“刀片电池”最受瞩目。2019年9月,在德国法兰克福国际车展上,宁德时代推出了全新的CTP方案(Cell To Pack),改变了原有的“电芯-模组-电池包”结构,电芯直接集成到电池包里。同月,宁德时代和北汽新能源举行了全球首款CTP发布仪式,北汽EU5将成为首款搭载该电池的车型。

宁德时代CTP技术路线,其核心是减少了模组数量,直接由多个大容量电芯组成标准化电池包,再灵活堆叠组成更大的电池模块,适应不同款车型的配套需要。根据宁德时代公布的资料,相比于传统电池包,CTP 可以使空间利用率提升15%-20%,零件数量减少40%,能量密度提升 10%-15%。

与宁德时代CTP“针锋相对”的,比亚迪推出了“刀片电池”,该方案更加适用于磷酸铁锂电池。“刀片电池”单体向大容量进化,电芯形状更加扁平、窄小,单体最大稳定长度可以达到2100mm。多个“刀片”捆扎形成电池包模块,通过少数几个大模组组合成电池模块。相较传统电池包,“刀片电池”的体积能量密度提升了50%以上。

“刀片电池”通过设计电池的长度和宽度,可在一定体积下使电芯合理的扁长化,一方面利于在动力电池包内的整体排布,从而提高动力电池包的空间利用率、扩大动力电池包的能量密度;另一方面能够保证电芯具有足够大的散热面积,能够及时将内部的热量传导至外部,防止热量在内聚集,从而匹配较高的能量密度。

实际上,不管是比亚迪的“刀片电池”,还是宁德时代的CTP技术,本质都是通过“无模组”来提升能量密度。两种技术状态在减少模组结构、提升封装效率上可以说是殊途同归,大幅减少单体连接线束以及相关的流程工艺成本,大幅度提高成组效率及系统能量密度。

而作为国内动力电池“老三”,国轩高科也在电池包优化方面暗暗发力。今年3月,国轩高科工程研究总院院长蔡毅透露,国轩高科正寻求在模组层级提高LFP(磷酸铁锂)电池的能量密度,并扩大其适用范围。国轩高科在模组层级提高LFP电池的能量密度,势必也将带动电池包能量密度的提升,有望使得其系统能量密度从目前的160Wh/kg再上新台阶。

“把电芯直接集成到电池包,省去电池模组,在技术角度并不难,确实能够起到优化空间利用率,并提升能量密度的效果,去掉模组是当前动力电池能量密度提升的有效路径之一。”某业内人士谈到。

据了解,在大幅提升系统质量能量密度以及体积能量密度的同时,去模组、少模组也使电池包复杂度大幅下降,由此也带来了更高的产品稳定性和更低的故障率。

电池包的成组考验的是电池研发人员对单体电芯和模组排兵布阵的能力,需要以安全性为前提,最大程度地利用每一寸空间。随着动力电池龙头们纷纷从系统层级寻求能量密度的突破,电池包大模组、无模组时代或将到来。


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