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宝刀出鞘 解码比亚迪刀片电池

2020-04-09 09:49 | EV知道

近几年,新能源汽车行业发展蒸蒸日上,动力电池行业也因此蓬勃发展,钴酸锂、锰酸锂等动力电池随着时间的检验都渐渐淡出动力电池市场,目前动力电池市场则主要剩下了三元锂和磷酸铁锂两强争霸。

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基于政策导向、用户认知、市场需求等多方面因素,在对于续航要求更高的乘用车领域,近年来三元锂电池的装机占比飞速增长。然而随着电池补贴逐步退出和近期备受关注的电池安全问题,磷酸铁锂电池的各项优势愈发突出,其具有很好的成组效率,工艺与规模化效益也具有优势。

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比亚迪率先从两者之间找到了平衡之法,其刚刚推出的超级磷酸铁锂电池(俗称电芯),因外观呈扁平的长条状,而被称为“刀片电池”。那么它相比普通磷酸铁锂块状电池来说,“超级”在何处呢?

● 能量密度大大提升

电动汽车的动力电池包通常布置在底盘上的前后轴之间,长度、宽度和厚度都受限。三元锂电池之所以能够成为主流技术路线,就在于它的单体能量密度相较于磷酸铁锂块状电池而言有优势。相对于三元锂电池,磷酸铁锂块状电池的能量密度偏低,传统结构的磷酸铁锂块状电池包,所携带电量很难支撑电动汽车续航超过400公里。但单体能量密度虽然关键,真正决定电动汽车续航的却是系统(电池包)能量密度。能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度,比亚迪刀片电池解决方案则可以有效提高磷酸铁锂电池的体积能量密度,由此达到更高的续航里程。

它是如何做到的呢?从形状来看,顾名思义,刀片电池是将电芯做成了刀片形状,“刀片”的长度可以根据电池包的尺寸进行定制,最长可以做到2米(据比亚迪电池包发明专利申请相关文件显示,刀片电池长度可以在600mm—2000mm之间)。通过长电芯阵列来组成电池包,电芯像刀片一样插入包体内。通过单一电芯的扁平化处理,刀片电池实现了无模组的电池方案。

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而传统的电池包内部结构复杂,要先把若干个电芯组装成模组,再把若干个模组组装成电池包。其内部需要布置若干纵梁和横梁,以固定电池模组,并加强电池包的强度。电池模组的外壳和电池包内纵横交错的加强梁,会占用大量空间。刀片电池由于取消模组壳体等零件,节省出的空间和重量可以安装更多的电芯,大幅提高电池包的“体积比能量密度(瓦时/升)”,从而携带更多的电量,也就是我们常说的续航能力更强。

据比亚迪集团副总裁、弗迪电池董事长何龙在刀片电池发布会上透露,传统电池包的空间利用率仅为40%左右,而刀片电池省去了模组和加强梁两个环节,空间利用率提升了50%,换言之,电池包内留给电芯的空间可以达到60%。

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此外,刀片电池还具有高电压放电能力,能够为纯电动汽车提供更强劲的动力输出和加速能力,以即将发布的比亚迪汉EV为例,在搭配全球首次量产应用的“高性能碳化硅MOSFET电机控制模块”之后0-100km/h加速仅需3.9秒,成为“3秒俱乐部”新成员。

● 拥有超强安全性能

磷酸铁锂块状电池本身在安全性和寿命上就有一定优势。在比亚迪内部,安全是被含义为最高级别的,不允许出现任何安全问题。比亚迪独创的七维四层防护体系,全方位有效的保护电池安全,基于磷酸铁锂技术的刀片电池安全性保障更加突出。

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电芯变长变薄,表面积也随之增大,电芯的散热效率提升,电池包整体散热性更优秀。原本磷酸铁锂块状电池的热失控表现就优于三元锂电池,如今刀片电池将冷却风道、防爆阀等部件设置在电芯两侧(如上图所示)。电芯叠在一起采用竖直排列,极大地增加了电池包的刚度,因此其安全性也得到提升。

从锂电池诞生之初,针刺试验就是电池安全测试中的最重要的一种手段。时至今日,在锂电池针对安全的多达300多项试验中,公认最难的仍是针刺试验。最近比亚迪电池实验室对刀片电池进行了该项测试,并与三元锂电池和磷酸铁锂块状电池进行对照。在该测试上,刀片电池有不俗的表现。

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视频展示,三元锂电池在被针刺穿的一瞬间就发生了爆燃,温度超过500摄氏度,场面与2019年上海地下车库新能源汽车自燃的录像有极高的相似度。

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相比之下,磷酸铁锂块状电池的安全性要好一些。在被针刺穿的瞬间,磷酸铁锂块状电池表面的温度高达400摄氏度,但并没有发生起火燃烧的现象。

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而刀片电池在被刺穿的时候,并没有任何的异常表现,甚至连冒烟都没有,结构依旧稳定。通过温度传感器显示,电池表面的温度只有60摄氏度,甚至低于夏季北京地面最高70度的温度。这对于动力电池行业安全发展具有里程碑的意义。

针刺测试与我们的日常用车到底有多大的关系呢?我们都知道电池是我们新能源汽车最重要的部件,为了保护电池的安全,厂家把电池包布置在汽车的底部,目的是防止电池包受到撞击破坏。但是放在底部就要面对可能出现的剐蹭问题,如果在高速行车的时候,因为路面不平或者有不明物体挡在路中央,如果躲避不及电池包就可能被划破,甚至有贯穿动力电池的风险。

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如果此时动力电池是三元锂电池,三元锂电池在被刺穿的瞬间就会燃起大火,场面非常可怕,难以控制;若动力电池为磷酸铁锂块状电池,被划破的磷酸铁锂块状电池表面温度升高到400摄氏度,但并没出现起火燃烧的现象;而如果动力电池是刀片电池,即使电池被贯穿,汽车也不会起火、更不会爆炸,电池表面的温度不会超过60度,并没有什么危险,车主只需要下车打个售后服务电话,换辆车继续前进。正如比亚迪集团总裁王传福在刀片电池发布会上所说:“搭载刀片电池的新能源汽车,将把‘自燃’这个词从新能源汽车的字典中彻底抹掉。”

此外,在使用寿命方面,刀片电池相比三元锂离子电池同样具有无可比拟的优势。汽车动力系统专家、我国科学院院士欧阳明高评价:“还有寿命和质保,比亚迪电动大客车现在已经提出10年100万公里的质保,在商用车领域这已经非常高了。”

● 刀片电池之于三元锂电池的竞争力如何?

基于刀片电池+磷酸铁锂化学体系能达到的电芯级与电池包级的能量密度,以及其与目前典型的三元锂电池包的对比,不难看出,刀片电池完全可以在能量密度上与现在市面上高能量三元锂电池相匹敌。从产品层面来看,汉EV的最高续航成绩为605km,已经追近了主流采用三元锂离子电池纯电动车的续航里程。在此基础上,刀片电池还有更高的安全系数和更长的使用寿命等优点,这将助力刀片电池成为乘用车细分市场中的翘楚。

全文小结:刀片电池的出现规避了传统磷酸铁锂块状电池的短板,并更大程度的发挥了其优势,完全排除了出现燃爆的可能,再一次定义全球动力电池安全新标准,为行业技术进步提供了新思路。

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责任编辑:张默怡
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