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bd半岛官网:10种动力电池集成技术方案分享

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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:

  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;

  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。

  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。

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