电池包集成和管理技术

动力电池包十大集成技术
近年来,随着新能源汽车的快速蓬勃发展,动力电池技术和相关集成管理技术层出不穷、节节开花,如新材料技术(无钴材料等)、新工艺技术(刀片电池等)、新集成技术(CTP等)、新管理技术(弹匣电池等)汇聚了材料厂、电池厂和整车厂的最新研发应用成果。
本文整理简单介绍10种电池包集成和管理技术,并公开分享。
最传统的电池包集成技术是CTM(Cell To Module),首先将若干电芯串并联组成模组,然后将模组装配到电池包内,最后将电池包集成到汽车底盘。

传统电池包集成方式
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在动力电池应用于新能源汽车的早期阶段,没有统一的标准,电池、模组、电池包尺寸五花八门,导致电芯开发成本极高,并且不方便更换和维护。到后来,人们发现了每辆车可以利用的空间位置具有一定的共性,根据这些空间尺寸,推算出模组的尺寸范围,从而希望实现电芯尺寸的标准化。
2008年,大众汽车全面进军电动化,在实现电动化过程中率先推出了标准化模组。第一个标准是355模组(355代表模组长度,每排可放置3个模组),为了提高续航里程,减少零部件和增加空间利用率,进一步降低成本,又推出了390模组(每排放置3个模组,模组更长更紧凑)和590模组(每排放置2个模组,集成效率更高),单个模组的体积在逐渐增大。
标准模组尺寸和外形示意图
 
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采用590模组的大众汽车ID.3电池包
 

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在CTM结构下,电芯被模组等结构件保护较好,电池包强度高,成组难度小。但电芯组装为模组空间利用率为80%,模组集成为电池包空间利用率为50%,最终电芯集成为电池包后空间利用率仅40%,随着新能源汽车的快速普及以及锂离子电池性能的极致开发,在电池应用层面,电池包集成效率亟待提升,大模组化、去模组化、车身一体化技术成为主流趋势。

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1、CATL的CTP

2019年9月,宁德时代全球首款CTP(Cell To Pack)电池包正式发布,将搭载于北汽EU5车型上。相比传统电池包,采用全新CTP技术的电池包体积利用率提高15%~20%,零部件数量减少40%,生产效率提升50%,系统成本降低10%。在能量密度上,CTP电池包可高达200Wh/kg,相比传统结构高30%以上,可以大幅提升电动汽车续航能力。
宁德时代第一代CTP电池包
 
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CTP技术包括两个思路:一是大模组化,二是无模组化,宁德时代本次发布的CTP属于大模组化技术,其核心逻辑是提高单体电芯的容量,同时将多个电芯堆叠组成更大的电池模组,从而大大减少模组数量,减少零部件数量,从而实现能量密度提升和成本降低的目标。
CTP技术路线
 
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CTP技术除了采用大电芯组成大模组外,通常还会对模组之间的连接结构进行优化,减少零部件和简化装配工艺过程。
宁德时代“套筒式”模组连接方式
 
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虽然CTP电池包具有适用性强、空间利用率高、成本低、散热性能好等优势,但由于木桶效应,电池包整体性能将取决于组成电池包最差电芯的性能,因此,CTP结构对电芯一致性提出了更高的要求,此外,如果出现电池故障需要更换,维修的便利性和成本都更高。
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2、TESLA的CTC

2020年“电池日”上,特斯拉首次公布CTC(Cell To Chassis)技术,Elon Musk表示,CTC集成技术配合前后车身一体化压铸技术,可以减少约370个零部件,实现车身减重10%,每千瓦时电池成本降低7%。
CTC技术路线
 
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CTC技术省去了从电芯到模组,再到电池包的两个装配过程,直接将电池集成到车身底盘。CTC技术的本质是将电池包上壳体和车身下地板合二为一,座椅直接安装在电池包上盖上,电池包既是能量提供装置,又是整车结构部件。
特斯拉Model Y车型CTC技术方案
 
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为了解决电池包隔热问题,特斯拉在电池包内部灌满了胶,防止热量向车内传导,同时,由于汽车侧面是碰撞薄弱点,特斯拉在靠近车身门槛两侧灌胶更多,胶层更厚,当汽车发生侧面碰撞时可以对内部电池起到较好的缓冲保护作用。
特斯拉Model Y灌胶示意图
 
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CTC技术的优势是明显的,由于越过了“模组”和“电池包”两级装配过程,直接将电池集成到车身地板上,将大大节省空间,或者说在相同空间内可以容纳更多电池,从而提升了续航能力,同时,零部件和结构件也大大减少,降低了重量、简化了流程、节约了成本,灌胶方案对电池“化零为整”,大大提高了车身的刚度。但CTC结构的缺点也很突出,一方面对单体电池一致性提出了很高的要求,另一方面,由于电池整体集成在车身地板,且有胶水相互粘连,几乎不可能进行维修,维修成本极高。
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3、国轩高科JTM

2021年1月8日,国轩高科在合肥召开第十届科技大会,会上发布了210Wh/kg磷酸铁锂软包电芯及JTM(Jelly Roll To Module)电池技术。据称,采用JTM集成技术可以将模组成组效率提高到90%以上,搭配其高比能磷酸铁锂电池,可以做到模组能量密度近200Wh/kg,系统能量密度180Wh/kg,超过了NCM622三元体系水平,可满足高端乘用车的续航需求。
JTM技术路线
 
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JTM与其他电芯集成技术最大的不同在于,其他集成技术都是基于电芯为最小单元,而JTM以卷芯为最小单元,在电芯内部并、串联集成,与刀片电池较为类似,但刀片电池内部为一个整体,而JTM可以想象成将刀片电池内部分成了几段,正因为其“柔中带刚”的特性,国轩高科内部又称JTM电池为“变形金刚式的柔性模组”。
2022年6月17日,国轩高科JTM电池发明专利获得国家知识产权局授权。其描述的JTM电池制作流程大致是:
1)将至少一个卷芯进行并联层叠,然后分别对正极耳群和负极耳群进行集中焊接;
2)用胶纸将多个并联的卷芯固定,然后将极耳卡扣在导电组件的L型弯折部进行焊接固定;
3)两侧的导电组件中间密封固定有绝缘袋,在卷芯整体装入铝壳之前,通过注液孔对并联卷芯进行注液;
4)通过导电连接片将多个并联卷芯依次顺序串联,最后将其整体装配入铝壳中。
极耳和导电组件连接示意图
 

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JTM电池三维示意图
 

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JTM电池将单卷芯在铝壳内部进行并、串联,减少了外部连接件的数量,能量密度更高,成本更低,且工艺简单,易形成标准化,而且各单卷芯能够相互独立,出现热失控时不会相互蔓延,进一步延迟了热失控的发生,提高了电池安全性能。
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4、广汽埃安的弹匣电池

2021年3月10日,广汽埃安重磅发布全球首创第一代弹匣电池系统安全技术,由于采用了类似弹匣安全舱的设计,故而简称“弹匣电池”,实现了行业首次三元锂电池整包针刺不起火,宣称重新定义了三元锂电池主动安全标准,通过优化设计和生产工艺,系统体积能量密度提升9.4%(302Wh/L),系统质量能量密度提升5.7%(185Wh/kg),成本降低了10%。
弹匣电池系统安全技术
 

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从材料层级来看,三元锂电池虽然具有更高的能量密度,但其安全性能相比磷酸铁锂更差成为了消费者购买新能源汽车的主要疑虑。三元材料热稳定性差,在200℃左右就会发生分解,释放O2,而磷酸铁锂在700℃以上才会分解,由于存在稳固的P-O键,磷酸铁锂热分解不会释放O2,因此,三元锂电池在发生热滥用、针刺等极端测试时,更容易起火、爆炸。
三元锂电池热失控链式反应过程
 

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那么,广汽埃安是如何实现三元锂电池针刺不起火的呢?
据悉,弹匣电池技术基于“防止电芯内短路,短路后防止热失控,以及热失控后防止热蔓延”的设计思路,主要包括四大核心技术:
1)超高耐热稳定的电芯
正极材料采用纳米级包覆及掺杂技术,实现材料本征改性和表面修饰结合,有效提升材料热稳定性和防止热失控;电解液采用能对SEI膜进行自修复的新型添加剂,改善电芯循环寿命;通过添加特殊电解液添加剂,当电池温度升高到120℃时,自发聚合形成高阻抗薄膜,大幅降低热失控反应产热,使电芯耐热温度提升了30%。
2)超强隔热电池安全舱
 
通过网状纳米孔隔热材料和可耐1400℃高温的上壳体,弹匣电池构筑了超强隔热的安全舱,当单个电芯发生热失控时,确保热量不会蔓延至相邻电芯,引起连环失控。
3)极速降温三维速冷系统
通过全贴合液冷系统、高速散热通道、高精准的导热路径设计构建三维速冷系统,弹匣电池实现了散热面积提升40%,散热效率提升30%,有效防止热失控和热蔓延。
4)全时管控第五代电池管理系统
 
采用车规级最新一代电池管理系统芯片,实现10次/s全天候数据采集,对电池系统状态进行实时监控。当检测发现温度超高时,可立即启动电池速冷系统为电池降温。
弹匣电池四大核心技术
 

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基于四大核心技术加持的弹匣电池,按照《GB 38031-2020 动力汽车用动力蓄电池安全要求》,采用强制性标准中最严苛的参数进行测试,可以实现针刺不起火(国标要求5min内不起火,预留逃生时间),针刺点附近最高温度686.7℃,电池之间未发生热扩散,静置48h后,针刺电芯电压降为0V,温度恢复室温,整包外观保持了较好的完整性。
弹匣电池通过安全技术升级,实现了三元锂电池整包不起火,对三元锂电池在新能源汽车中的应用具有重要的推动作用,在系统层面较好的解决了三元锂电池的安全问题。
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5、东风“三不”电池

2021年3月17日,东风汽车旗下高端电动车品牌岚图汽车举办了“三元锂电池安全技术分享会”,首次展示了岚图FREE(纯电版)的电池包、车体结构、电气系统的安全技术,并对电池包的安全技术进行了全方位的解读。
三元锂电池包具有能量密度高、低温性能好、倍率性能好等特点,但相应的热稳定性更差,需要进行更好的安全防护和热管理,既要满足高能量,又要满足高安全,对电池技术带来极大挑战。
而岚图FREE采用三元锂电池作为动力系统,却可以做到整包“不冒烟、不起火、不爆炸”,被媒体称为“三不”电池。此前广汽埃安的弹匣电池已经实现了三元锂电池整包在热失控状态下“不起火、不爆炸”,但岚图FREE又在弹匣电池的基础上做到了“不冒烟”,似乎意味着三元锂电池的系统安全技术又上升了一个新台阶。
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图 岚图FREE三元锂电池技术亮点
据悉,岚图汽车采用了三大安全技术:单体电芯三维隔热墙设计、电池安全监测和预警模型、电池PACK设计。
1)单体电芯三维隔热墙设计
隔热墙技术是岚图汽车三元锂电池热失控“不冒烟”的首创核心技术,其原理是在电池包内,使用超强高分子隔热阻燃材料,将每个电芯分离,在电芯与电芯之间形成高效的阻热阻燃隔热层,并且单独三维立体包裹,如同“琥珀”一样。
当某个单体电芯发生热失控时,三维隔热墙的存在可以避免热蔓延到周围其他电芯,进而防止出现连环热失控,同时,每一个电芯底部都与高效液冷系统接触,保证电池包具有稳定的散热能力,而在电芯顶部,还额外布置了可耐1000℃高温的隔热阻燃层,保护车内人员安全。

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图“三维隔热墙”技术详情
2)电池安全监测和预警模型
岚图在对电池包原有温度电压预警基础上,搭建了精确的电池安全监测和预警大数据模型,追踪每一台车、每一块电池的使用数据,并将监测到的数据与云端大数据库实时对比,当系统发现电池监测数据出现异常时,岚图会通过云端APP推送及车辆的预警系统,提醒用户。
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图 岚图BMS云端卫士
3)电池PACK设计
在被动安全上,岚图对电池结构进行了五大设计:车身防护、高强框架、压力传递、形变吸能、电池双保险。
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图 岚图电池PACK方案
a)车身防护:在车门门槛位置,采用双层结构的1500MPa超高强度热成型钢,前后车身内部,采用行业最高等级的2000Mpa热成型钢,防止车辆发生膨胀或侧翻时挤压电池,从而保证电池的完整性。
b)高强框架:通过高强度铝合金框架、多条加强筋强化其耐撞性,根据测试结果,高强框架可以抵御20吨力的挤压。
c)压力传递:在电池包内部设计多条纵横加强梁,使得电池包受到外力时层层分解,从而保护内部电芯。
d)形变吸能:岚图对电池包预设了超过30mm的形变吸能空间,在电池包受撞击变形时,保护内部电芯。
e)电池双保险:电芯双极均设置有防爆阀,当电池内部压力增大时,防爆阀被冲开,避免电池发生爆炸。
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6、长城汽车的大禹电池

2021年6月29日,长城汽车咖啡智能2.0升级发布会在保定哈弗技术中心举行,会上正式发布了“大禹电池”,自称“永不起火、永不爆炸”。据介绍,大禹电池的命名主要是因为其安全保障的原理采用了大禹治水的“变堵为疏”理念,采用多梯次换流系统、快速极冷抑制系统、多级定向排爆系统、灭火盒系统来从PACK层级保障电池安全。
动力电池包十大集成技术图 长城汽车展示的大禹电池整包
大禹电池采用高镍811三元材料,热失控引发方式为加热,实验中最高温度超过1000℃,但全程无起火爆炸,并且大禹电池排除的烟气温度低于100℃。
大禹电池“变堵为疏”的理念包含了哪些技术元素呢?据了解,大禹电池主要从热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正压阻氧、智能冷却八个方面提升三元锂电池整包安全性能。

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图 大禹电池设计理念
1)热源隔断
大禹电池之间采用隔热性能良好、又耐火焰冲击的全新开发的双层复合材料取代传统气凝胶隔热材料隔绝热源,防止高温传导到周围电芯引起连环反应。在模组上方还布置了可耐1000℃高温的隔热材料,保护驾乘人员的安全。
2)双向换流
通过对换流通道设计方案模拟仿真,实现换流强度和比例的精准优化,引导气流和火流进行双向换流。
3)热流分配
通过搭建燃烧模型、热力学与流体力学拟合仿真、冲击强度和压力计算,实现气火流在不同结构通道内的均匀分布,为双向换流起到了很好的辅助作用。
4)定向排爆
大禹电池设计了防爆阀,当电池内压增大时,防爆阀优先打开,产生的火焰或气流进入模组上方预设的流道,将其定向排出远离相邻电芯。
5)高温绝缘
在高压线束铜排表面涂抹了一层耐高温绝缘材料,防止出现高压电弧造成额外伤害。
6)自动灭火
高压气流和火流被引导到电池包尾部的蜂窝状灭火盒中,由于蜂窝状结构的多孔性和多层隔热屏阻隔了空气的大空间流动,使之成为尺度十分有限的微小空间,空气的自然对流换热难以开展,有效地阻碍了对流换热的进行,从而可实现火焰快速抑制和冷却。
7)正压阻氧
在电池包尾部设计了多层不对称蜂窝状通道,保证电池包内压始终大于外界,避免吸入氧气导致火势变大。
8)智能冷却
当BMS或智能云端监测到电芯热失控时,智能调节冷却系统的流速和流量,从而给电芯降温,将事故扼杀在摇篮中。
根据长城汽车的规划,“大禹电池”将率先搭载在沙龙品牌的第一款车型上。从2022年开始这一电池技术将全面覆盖长城旗下的所有车型。
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7、MTC

2022年4月25日,零跑汽车开展以“智能时代,源力觉醒”为主题的智能动力CTC技术线上发布会,首次公开了其最新研发的CTC技术(零跑官宣CTC,严格讲应该是MTC,即Module To Chassis)。
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图 MTC技术路线
据悉,零跑汽车MTC底盘一体化技术可使零部件数量减少20%,结构件成本降低15%,电池布置空间增加14.5%,车身垂直空间增加10mm,综合工况续航增加10%,该技术将在零跑纯电动汽车C01车型率先量产应用,续航里程将达到700km。
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图 零跑MTC底盘布置示意图
如果将特斯拉CTC技术比作目前的电池一体化手机,那么零跑MTC就好比原来的电池分离式手机,当电池发生故障时,只需要取下更换即可,非常方便。
零跑汽车MTC技术保留了模组设计,将模组直接集成到汽车底盘。其最大的创新点在于,首次将电池托盘骨架结构和车身梁结构合二为一形成双骨架环形梁式结构,既能提高整体结构效率,实现轻量化,又能通过车身纵、横梁实现电池密封。
双骨架环形梁式结构:
 

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红色为车身结构梁    绿色为电池托盘结构
零跑汽车通过在乘员舱底部开设容纳空间,将模组从下往上通过栓接、胶接等固定方式悬吊在乘员舱底部,再用电池托盘和车身地板密封,取消了传统电池包的上盖板。
相比于特斯拉CTC技术,零跑汽车MTC似乎更是一个折中的技术,由于没有取消模组结构,因此集成效率、成本方面仍有提升空间,并且由于取消了传统电池包的上盖板,当电池热失控时对乘员舱威胁更大,但由于电池托盘容易拆解,当需要维修时,不需要拆解车身地板和座椅,更加的方便和快捷,更是一种可行的量产化技术。
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8、BYD的CTB

2022年5月20日,比亚迪隆重举办CTB技术暨海豹预售发布会,会上,比亚迪全球首发了CTB车身一体化技术及搭载CTB技术的e平台3.0纯电动车型—海豹。
据介绍,海豹搭载CTB技术后,其动力电池系统利用率提升66%,系统能量密度提升10%,可以实现700km的续航里程,其动力电池仍然采用刀片电池,可以达到充电15min,行驶300km的快充能力。
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图 比亚迪CTB底盘一体化布置示意图
实际上,比亚迪CTB技术与特斯拉CTC有点类似,都是将电池上盖板与车身地板合二为一,即减少了一层地板。但特斯拉电池上盖板结合了座椅支架和横向加强结构,而比亚迪横向梁还保留在车身,用于提供更好的侧向强度和扭转刚度(似乎特斯拉集成技术更像CTB,而比亚迪集成技术更像CTC),因此,CTB的集成度略逊于CTC。
CTB技术依然采用了刀片电池阵列式排布方式,本身具有极好的安全性能,并且电池包上盖和电池托盘将刀片电池夹在中间,形成了类蜂窝结构,根据比亚迪发布的测试视频,电池舱可以承受50t重卡碾压而装回车身后仍可继续使用,因此,比亚迪海豹号称是“撞不断的电动汽车”。
CTB技术的优势是高安全、高强度、轻量化、低成本,其维修性比特斯拉CTC技术略好一些,但集成度方面相比CTC技术更保守。
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图 搭载CTB集成技术的比亚迪海豹宣传图
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9、上汽的魔方电池

2022年6月13日,上汽乘用车MG品牌首次发布了“魔方电池”,并亮相了搭载魔方电池的首款车型-MG MULAN。
据介绍,魔方电池英文名是“ONE PACK”,采用了标准电池包,长度均为1690mm,宽度均为1300mm,高度可选110mm、125mm和137mm,由于长度和宽度固定,只需改变高度就能实现不同续航里程的需求,由于电池包长度和宽度相同,魔方电池还采用了统一的电芯固定位置、统一的快换冷却接口和统一的高低压接口,意味着魔方电池可以实现换电功能。
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图 魔方电池统一的长度和宽度
魔方电池最大的技术特点就是采用了躺式电芯的布置,而传统的电池包都是立式布置或者侧立布置,魔方电池为何要“躺平”呢?
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躺式电芯布置
1)整车布置效率更高
电池的厚度更薄,躺平后的电池包厚度也更薄,可以释放更多的车内空间,超薄电池还可以降低整包质心高度,能有效抑制车辆高速行驶时的侧倾,车身更加稳定。并且,电池躺平后,上下两块电池之间不再布置隔热材料,而只需在左右电池中间设置隔热材料,减少了材料数量和用量。
2)循环寿命更长
魔方电池设置了一个自适应束缚装置,可以适应电池使用过程和全寿命周期保持一致的约束力,而传统的立式电池两端具有强约束力,长期使用过程中会影响降低电芯约一半的循环寿命。
3)安全性能更好
 
魔方电池躺式布置,电池热失控喷射口在电池侧边,不会向上喷射,在一定程度上降低了驾乘人员的伤害,并且相邻电芯接触面积小,降低了对周边电芯的影响。
在解决躺式电芯的热失控和散热方面,魔方电池采用了以下方案:
1)热隔离挡板
 
躺式电芯热失控时主要从侧面喷射火焰,正对喷射口的其他电池可能被直接引燃,魔方电池在其间布置了热隔离挡板,防止正对喷射口的电芯被引燃。
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图 躺式电芯之间的热隔离挡板
2)立式冷却系统
由于魔方电池躺平式电池结构,为了保证每个电芯均匀散热,采用了立式冷却结构解决方案,即将本该站立的电芯躺平,本该躺平的冷却系统站立起来。
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10、CALT的3.0麒麟电池

2022年6月23日,宁德时代正式发布第三代CTP电池包技术-麒麟电池,通过对电池包的结构改进,将空间利用率从56%提高到72%,宣称在相同的尺寸和化学体系设计下,其系统能量密度可达255Wh/kg,比特斯拉高出13%,整车续航里程可轻松突破1000km,采用全球首创大面冷却技术,麒麟电池支持5min快速热启动及10min快速充电至80%SOC,实现了续航、快充、安全、寿命、效率以及低温性能的全面提升,预计将于2023年量产上市,首次搭载于吉利汽车旗下高端电动汽车MPV—极氪009。
宁德时代三代CTP技术迭代对比
 
动力电池包十大集成技术
麒麟电池的结构从上到下依次为:上盖、三合一弹性夹层、电池、托盘。创新重点之一是高度集成化的三合一弹性夹层,将结构梁(纵横梁)、隔热垫和水冷板替换为弹性夹层,布置在每排电芯间,同时起到结构支撑、冷却散热、电芯隔热和膨胀缓冲四个功能。
麒麟电池包爆炸图
 
动力电池包十大集成技术
麒麟电池将本该放置在电芯底部的水冷板(弹性夹层)竖直放置于电芯之间,增加了4倍换热面积、大幅提高了散热性能,从而实现了电池的安全快充。据宁德时代报告,麒麟电池可以做到4C快充技术,实现5分钟热启动、10分钟快充至80%。 
此外,麒麟电池采用电芯倒置,防爆阀朝下设计,当电芯发生热失控时,高温气流将向汽车底部喷射,进一步保护驾乘人员安全。
动力电池包十大集成技术图 麒麟电池排列方式
麒麟电池是宁德时代在现有的方形电池技术路线下,通过结构创新,进一步提升电池性能的重要方式。宁德时代采用了全球首创的电芯大面冷却技术,取消了横纵梁、水冷板与隔热垫原本独立的设计,集成为多功能弹性夹层,实现了水冷、隔热、缓冲功能三合一,进而实现了系统集成度的较大提升。
动力电池包十大集成技术

结 语

随着新能源汽车目前的快速发展到未来的最终全面普及,将离不开电池材料的持续创新和集成技术的不断改进,电池技术将始终聚焦于成本、续航、安全、快充等几个方面,只有这些核心指标有了质的飞跃,才有可能迎来真正属于新能源汽车的时代!
来源:新能源电池热管理

 


根据预测,2021年中国汽车总销量有望达到2610万辆,其中,新能源汽车销量340万辆,同比增长1.5倍,占比超过13%,这一增速超过了此前大家的预测,新能源汽车发展进入快车道。新能源汽车的快速发展带动了动力电池的高速增长。动力电池生产流程一般可以分为前段、中段和后段三个部分。其中,前段工序包括配料、搅拌、涂布、辊压、分切等,中段工序包括卷绕/叠片、封装、烘干、注液、封口、清洗等,后段主要为化成、分容、PACK等。 材料方面主要有正负极材料,隔膜,电解液,电池包相关的铝塑膜,结构胶,缓存,阻燃,隔热等材料,以及电池包的外壳结构材料。为了更好促进行业人士交流,艾邦搭建有锂电池产业链上下游交流平台,覆盖全产业链,从主机厂,到电池包厂商,正负极材料,隔膜,铝塑膜等企业以及各个工艺过程中的设备厂商,欢迎申请加入。

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作者 lv, mengdie