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动力电池系统大横评：麒麟、刀片、弹匣、大禹……

时间:2022-08-29 08:40来源:电动汽车观察家 作者:王凌方
点击: 次


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车企、电池企业都将电池系统研发摆在了重要位置。
 

自2019年，宁德时代推出CTP电池包技术以来，电池企业和车企的电池系统技术层出不穷，都将解决热失控和结构简化摆在了重要位置。
防止热失控解决的是安全问题，结构简化则是应对电池系统的能量密度提升需求。
《电动汽车观察家》整理了下市场上有名号的电池系统，各个企业的侧重点不同，解题思路略有差异。
有的电池系统从名称上可以看出设计的侧重点：
例如弹匣电池、琥珀、云母等名称，取意包裹，以堵为主，这些企业主要精力放在解决防止热失控层面上，包裹、隔热是主要目标，然后配合冷却系统进行热交换；
例如大禹电池，取意“大禹治水，疏而不堵”，当然企业也不是真不“堵”，只是在热交换上下的功夫更多，宁德时代CTP3.0麒麟电池和特斯拉4680 CTC也是类似。
有的企业则主要把电池包结构简化做到极致，兼顾结构强度，例如刀片电池CTB结构和CTP3.0的麒麟电池等电池；有的企业仍然有模组的路径，例如蜂窝电池、弹匣电池、大禹电池、奥特能电池，以及零跑的CTC（实际上是模组集成到底盘）。

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资料来源：《电动汽车观察家》整理

 

《电动汽车观察家》就为大家盘一盘业内不同企业的电池系统侧重点和解题思路。
01
如何防止热扩散
解决热扩散是电池包技术的重点。从电池包技术发布来看，一部分企业侧重堵，一部分疏堵结合。
（1）以堵为主的电池系统——弹匣、琥珀、云母、天工、蜂窝
《电动汽车观察家》整理发现，广汽的弹匣电池、岚图的琥珀和云母电池、哪吒的天工电池等相对较为侧重围堵，将电芯隔绝进一个相对安全舱的环境，然后搭配冷却系统来应对热失控。
弹匣电池通过网状纳米孔隔热材料、耐高温的上壳体来构筑安全舱，电芯热失控不至蔓延。材料方面，选择的是网状纳米孔隔热材料——二氧化硅基的软质纳米材料。这种纳米材料间隙大概是20纳米，空气在这种间隙中是不会流动的，导致热量很难随空气传导到外界。
弹匣电池上壳体耐热温度达1400℃以上，将热量控制在相对可控的范围内。

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广汽在电池包的内部设计了导热路径，高温可以通过导热路径进行疏散（当电池包内压力过大的时候泄压阀会平衡电池包的压力）。同时热量会在电池包内进行流动并降温，配合大面积的全贴合液冷系统及时将温度控制到安全范围。

 

据广汽介绍，他们这个三维导热系统配合与模组全贴合的热冷系统，加上更宽的导热管路以及散热通道，也能使散热面积提升40%，散热效率提升30%。

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弹匣电池

岚图推出电池系统主打三维隔热墙技术，纯电车型的电池系统称为琥珀和增程版车型则被称为云母电池。
两种电池系统最大的差别在于材料和隔离方式不同，琥珀电池是在电池包内填充有机硅复合材料，将圆柱电芯包裹起来像“琥珀”，云母则是采用耐高温的云母片加气凝胶层叠堆叠。

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岚图的“三维隔热墙”

 

哪吒的天工电池也主打密舱式的电池包设计，哪吒汽车在电芯间采用了航天级的阻燃材料，隔热在1000度以上。
热管理方面，哪吒的思路是热电分离、定向热疏导以及高温绝缘等相对常规的方式。

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天工电池

 

江淮的蜂窝电池基于圆柱电池，建立热失控安全开发流程。
通过模组电隔离与热隔绝方案实现单个电芯爆喷后能量释放受到控制；再通过简易电池包，通过模组防护、电池包排气路径设计,实现相邻模组间安全隔离。此外，还有液冷扁管进行热交换。

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蜂窝电池
当然，江淮的蜂窝电池和岚图的琥珀电池都采用的是小圆柱电芯，能量相对较小，单体热失控，电池系统封控难度相对较小，传统的冷却方式应该足以应付。
同样是圆柱电芯，蜂窝电池、琥珀和特斯拉4680 CTC方案很类似。
从对德州特斯拉4680 CTC方案拆解视频上来看，电池已经成为整车的一部分，并通过绝缘层和隔热阻燃层进行隔离，同时蛇形冷却管来进行冷却。

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资料来源：知化汽车

 

当然随着4680电芯的增高，蛇形管也会充分利用这个高度。

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资料来源：知化汽车
（2）“变堵为疏”，以疏为主——大禹、麒麟、魔方
长城的大禹电池方案是以疏导为主，隔离为辅。
隔离方面，大禹电池的电芯能做到热源隔断，每个模组间也能做到热防护。模组间采用高温绝热复合材料，阻止火焰冲击和长时间传热传导。防护罩设计定向排爆出口，能快速将模组内部高温气火流排出。

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资料来源：大禹电池热隔断方案

 

电池发生热失控过程中会产生大量高温、高压气火流，大禹电池技术通过对多种类换流通道设计方案仿真模拟，实现换流强度和比例的精准化设计，有效控制热源按预定轨迹流动，减少对相邻模组的热冲击，可以避免再次引燃。

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资料来源：大禹电池

 

通过大量的仿真，对于气火流的强度和比例进行精准化的设计，根据气流强度的冲击的大小，温度的变化，按照热源轨迹去流动，避免对相邻的电芯相邻的模组产生急剧性的热冲击，引发第二次热失控。
目前看，蜂窝电池、弹匣电池、大禹电池、奥特能等电池系统仍然保留模组，在电池的集成度和空间利用率方面远不如无模组电池。
宁德时代麒麟电池CTP3.0版本，和长城电芯隔热思路有些相似，都是将材料进行了复合。
不过，宁德时代的集成度更高。麒麟电池包取消了横纵梁、水冷板与隔热垫原本各自独立的设计，集成为多功能弹性夹层，并通过内置微米桥连接装置伸缩，来配合电芯呼吸。

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资料来源：宁德时代

 

这个多功能弹性夹层起到一定的隔热作用，但同时通过更大的换热面积，来迅速带走热量。
值得一提的是，宁德时代通过将底部水冷功能件置于电芯之间，使换热面积变为原来四倍。这种设计对大功率充电十分友好，其通过电芯大面冷却，将电芯控温时间缩短至原来的一半，从而适应更大电流和更高电压的快充。目前麒麟电池可支持5分钟快速速热启动及10分钟快充至80%。

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资料来源：宁德时代
好处在于，在极端情况时，电芯可急速降温。多功能弹性夹层有效阻隔电芯间的异常热量传导，可避免电池非正常工作温度造成的不可逆损伤，有效提升电芯的寿命和安全性。
上汽的魔方电池也是以疏导为主。上汽的电芯是躺式放置，只有两层电芯，一旦一颗电芯热失控，只会蔓延到它上下那颗接触面积大的电芯，并通过水冷系统带走一部分热量。
左右两侧的电芯由于接触面积小，且有隔热材料防护，热失控的几率大为减小，因此电芯的热失控整体是可控的，不会带来多米诺骨牌效应。

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魔方电池隔热示意图
总结起来，就是由于上下两颗电芯是大面接触，一旦发生热失控以牺牲上或下面的电芯为代价，以减少左右两侧的热传导，然后通过立式冷却组件，将热传导出去。

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魔方电池结构
魔方电池和麒麟电池的冷却组件都采用立式结构，不过麒麟电池的换热面积显然更大。
02
结构简化了吗
电池企业和车企从系统层面考虑电池安全，电池能量密度也要从系统层面考虑，简化电池包结构，逐步向整车电池集成化发展。
目前看，蜂窝电池、弹匣电池、大禹电池、岚图的琥珀电池、天工电池、奥特能和零跑的CTC等电池包仍然是有模组的结构。这些电池包的结构没有明显简化。
目前看无模组结构，是以刀片CTB结构、麒麟电池、魔方电池等为代表，尤其以比亚迪和宁德时代走在前列。
比亚迪率先达成了“电池车身一体化”（Cell to Body，CTB），即将电池上盖与车身地板进一步合二为一。

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资料来源：比亚迪

 

其意义在于，将原来电池包“三明治”结构，进化成整车的“三明治”结构，有效降低电池对于车辆垂直方向空间的占用，同样的车高尺寸下，垂向乘坐空间增加了10毫米，进一步释放提升车内空间潜力。
在Z向（即垂直向）高度寸土寸金的情况下，10毫米的意义重大。
当然其优势不仅于此，受力更加均匀，车辆安全性得到提升，后文会具体介绍。
另一家比较领先的技术是宁德时代CTP3.0麒麟电池。从电池包集成角度来看，目前无出其右者，电池包的体积利用率最高可达72%，能量密度最高可达255Wh/kg，可实现整车超过1000公里续航。

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资料来源：宁德时代

 

麒麟电池的集成度高，主要得益于其将电池包中横纵梁、水冷板与隔热垫原本分开的结构整合，电池包内部放置电芯的空间得以有效提升。
魔方电池也在尽可能简化材料为电芯腾出更多空间，例如这种躺式排布，还可以最大程度节省隔热材料的应用。例如，以前需要用6片隔热材料的，现在仅用2片就够了。绝大部分空间都可以用来容纳有效的电化学材料。
当然同样得益于躺式电芯对排布，可以更多更挪出车辆横向（车宽）方向，实现了电池包对小体积，但是不以牺牲电池电量为代价，也算是对电池集成度对提升。
目前来看，宁德时代和比亚迪的CTP技术是彻底取消了电池包的横纵梁，不过，比亚迪的CTB结构、上汽魔方电池以及特斯拉CTC结构仍然存在结构梁。从结构图上看，比亚迪有一根横纵梁、魔方电池有两根，特斯拉CTC似乎也有三根横梁。

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资料来源：搜狐汽车
特斯拉整个4680结构电池包被3根横梁分成四个区域，也就是说大概有3根横梁。

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特斯拉拆解视频
当然横纵梁是不能贸然取消的，这取决于在无梁的情况下，电池包的结构强度是否保证电芯安全。
目前看，宁德时代的电池包结构简化程度相对最高。
03
结构强度如何
无模组电池包最让人担心的除了维修，就是结构强度是否足够，能否保护电芯安全。
因为无模组电池包往往也会将起支撑作用的横纵梁一并简化掉。
传统电池包一般有4-5根梁，以奥特能电池包为例，可以看出，电池包结构中有很明显的横纵梁。
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奥特能平台电池包

 

横纵梁是通过横亘整个电池包的横纵交织立体结构，将来自外界的碰撞能量充分地分解与吸收。
在比亚迪刀片电池CTP结构中，不仅简化掉了模组，同时简化掉了电池包中的横纵梁。比亚迪是让每一个电芯都充当结构件，这样如果有100个电芯就是100根梁，其强度可想而知。
刀片电池CTP结构还借鉴了非常成熟的蜂窝铝板的结构原理，在100个电池组成的电池堆的上下两面上，粘贴两块高强度的强度板，形成了类似蜂窝铝板的这种结构，使强度再次升级。

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资料来源：比亚迪
 
这一思路沿用在了比亚迪的CTB技术上。CTB技术使刀片电池通过与托盘和上盖粘连，形成类蜂窝铝板的“三明治”坚固结构，长条形的刀片电池密布于电池包中，均匀受力，大幅提升电池包结构强度。
此外，传统电动汽车结构设计中，为保护电池安全，车身传力结构被打破，导致车身传力不畅，极端碰撞情况下安全风险加剧。
比亚迪e平台3.0上，车身地板横梁左右贯通，且采用闭口辊轧件设计，大大提升侧碰能量传递和车身结构的稳定性。同时得益于高安全性的刀片电池，以及电池包类蜂窝铝结构，使电池可以作为传力结构的重要组成部分，传递并吸收能量，从而提升了车辆安全性。
宁德时代的麒麟电池则是在电池包的范围内考虑强度问题。麒麟电池的结构强度，还少不了那个多功能的弹性夹层。弹性夹层也能起到受力结构的作用，电芯和多功能弹性夹层组成了一体化的能量单元，成为行车方向上的受力结构，从而提高了电池结构强度和抗冲击能力。
《电动汽车观察家》理解，特斯拉CTC电池包是通过结构梁来进行支撑，同时大量灌胶也对电芯有支撑和保护的作用。不过，有意思的是，特斯拉CTC电芯结构没有与电池包底部进行直接整合，通过一个云母支架放置，而且根据视频拆解人说对情况，云母支架也并未通过胶水与下箱体连接。
《知化汽车》认为，电芯与下箱体直接粘接，整体形成蜂窝状结构才是一个更加强壮的方案。

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资料来源：知化汽车

04
电池摆放有技巧
除了电池包结构上的设计，车企和电池企业在电芯的摆放上也煞费苦心。例如，上汽的魔方电池，主要特点就是躺式电芯。
宁德时代CTP3.0的麒麟电池电芯是倒置。
立式电芯一般都会被电芯壳体的顶盖厚度、顶盖底部到隔膜的距离、底托片厚度等占据，在高度方向上利用率并不高。

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传统的立式电芯

 

魔方的躺式电芯有效改善了这一情况，不仅电池包高度方向得到了充分利用，电池中活性材料的占比也大大提升，从而导致体积利用率则明显提高。
江淮的蜂窝电池也是采用电芯横向摆放的方式，这倒是圆柱电芯常见的摆放形式。

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魔方电池的电芯躺式放置
宁德时代倒置电芯的方式，显然比躺式电芯电池包的空间利用率更高。
倒置电芯，失控排气和底部球击共用空间，就给电芯多留出了中6%的空间。

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资料来源：宁德时代
 
麒麟电池包的体积利用率最高可达72%，应该是比魔方电池躺式电芯，空间利用率更高。
目前来看，电池包系统集成角度来看，比亚迪和宁德时代的优势最大。不过比亚迪的问题在于，其刀片电池是非标电芯，在规模上优势并不明显。而宁德时代则可以通过标准化的电芯来达到规模优势。
此外，比亚迪的刀片电池结构更适合磷酸铁锂电芯，仰仗的是材料的热稳定性较高，但是应用到高镍的三元电池领域，电芯的大面接触，热传导速度会很快，电芯长宽的优势可能会变成劣势。
宁德时代最新一代的CTP3.0麒麟电池包，目前看可采用的目前所有主流化学体系，包括钠离子电池。
不过，比亚迪的CTB结构推出，领先宁德时代一步达成电池车身的一体化结构，从整车到电池的集成角度看更领先一步。
由于目前特斯拉4680 CTC结构的信息相对较少，不好判断。就目前情况看，宁德时代和比亚迪在电池系统的设计上更具系统性，确实处于行业的领先位置。
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 动力电池系统
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