车企造电池哪家强?比亚迪、上汽、广汽各有招

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外购电池成本似乎越来越成为新能源车企的“不能承受之重”,近段时间以来,广汽埃安、吉利、蔚来等纷纷注册成立电池公司。实际上,车企造电池并不是新事,就国内来看,比亚迪、上汽、广汽已经在研发和生产电动汽车电池的道路上摸爬滚打多年,业已形成了自己的招数。

在近日于上海举办的第七届动力电池应用国际峰会(CBIS2022)上,来自比亚迪、上汽、广汽的相关负责人介绍了各自的“刀片电池”、“魔方电池”以及高比能硅负极电池等在集成度、高低温性能方面的优势,而毫无意外,电池的安全性也成为各家强调的重点。

比亚迪混动舞“短刀”

今年以来,比亚迪(弗迪电池)成为了全球电动车电池装车量增长速度最快的企业之一。在今年下半年的单月排名中,其多次超过韩国企业LG新能源,位居全球第二。实现这一业绩,比亚迪的刀片电池功不可没。

2020年3月,比亚迪刀片电池正式发布。所谓刀片电池,是指锂离子电池电芯外形像刀片一样细长扁平(如典型尺寸13.5mm*90mm*960mm),内部采用叠片工艺,电芯直接集成到电池包底部,取消了模组结构。

据深圳弗迪电池有限公司上海开发中心总监周贵树在此次峰会上介绍,目前,刀片电池已广泛应用在比亚迪汉EV、海豚、秦、唐、宋等全品牌多系列车型上。

据介绍,弗迪电池已经形成了刀片电芯平台,刀片电芯根据形状可分为长刀(长度大于700 mm)、短刀(长度400-700 mm)、方刀(高度大于150 mm),利用不同类型的刀片电池成组的电池包可满足不同车型的空间要求和电压要求。

关于刀片电池的主要优势,周贵树说,刀片电池的核心是极简设计,最大化利用了电池包空间,进而实现高续航。具体而言,刀片电池具有高体积利用率,体积利用率达到了75.6%;电芯尺寸定制化,排布方向灵活,能够高度兼容;电池体积能量密度超过310 Wh/L,最高续航里程达1000km以上;极简化设计,生产效率提升60%;零部件减少45%,综合成本降低30%以上。

而在混动汽车(DM)领域,受限于汽车电池空间,电池包目前主要以短刀电芯为主,并有单串刀片电池超级包和多串刀片电池超级包等不同组合形式,可以满足混动汽车在纯电的情况下实现50—250KM的续航要求。

而混动刀片电池的性能也表现出了跟纯电刀片电池不一样的特点。在功率方面,目前搭载混动刀片电芯的相关车型几乎均已实现了5.9秒、4.9秒百公里加速。“极致的加速要求电池要具备超强的充放电能力,而超级充放电能力是一个系统工程,需要从材料、导电网络、载流和散热等多方面进行升级。”周贵树说。

以电池的导电剂材料为例,据了解,比亚迪在2012年完成了新型导电剂碳纳米管的研发,2013年在行业里率先使用了碳纳米管作为导电剂,2015年完成了石墨烯作为导电剂材料的使用。

此外,在耐低温方面,据周贵树介绍,目前比亚迪电芯自加热技术已经在绝大部分超级混动(DMi)车型里应用,电芯可以实现在低温环境下保持90%的放电电量。

而在安全性上,刀片电池也都成功地通过了电池包针刺实验和碾压实验。

不过,值得注意的是,据国内媒体统计,2022年上半年比亚迪自燃事件共计18例(包括“疑似”案例),其中海豚1例、秦PLUS DMi 2例、秦Pro EV 1例、宋Pro EV 1例、唐 3例、唐DMi 9例,自燃车型均搭载的是刀片电池,又以超级混动车型(DMi)居多。

2022年6月的《消防科学与技术》杂志发表了一篇题为《一起刀片电池因撞击受潮起火事故的调查》的文章,作者来自海口市消防救援支队,其指出,2021年10月9日,一辆搭载刀片电池的纯电新能源出租汽车起火,调查结果显示,火灾的主要原因是刀片电池下护板设计存在缺陷,抗击撞击的性能弱,发生碰撞后易受损;电池塑料密封盖的耐火性能不足;电池包电芯之间缺少短路保护装置。

另据一些业内人士介绍,相对于纯电动汽车,混动汽车对电池功率、续航、充放电、低温、安全、寿命等要求会有所区别,安全防护难度会更高。而短刀电芯相较于长刀电芯,在安全性上有一定的先天不足,为此比亚迪也在每个短刀电芯外包覆了一层铝塑膜。如何进一步提高电池系统的安全性,对比亚迪以及所有新能源汽车而言,或许仍然是一大考验。

上汽电池玩“魔方”,电芯“卧”设计

今年8月,上汽发布了“魔方电池”,主打超高集成度、超长寿命和“零热失控”安全防护,支持车电分离。“魔方电池”是一款标准电池包,电池包的长和宽固定——1300mm*1690mm;高度有三种:110mm、125mm和137mm。

电池包采用LBS躺式电芯和CTP技术(Cell To Pack无模组技术),电池整包厚度低至110mm,电池质量成组效率能达到75%—80%,体积成组效率能达到59%—62.3%,效能得到大幅提高。

此外,电池包电芯可以采用不同化学材料体系——低能量密度体系的磷酸铁锂、钠离子、M3P等材料;中能量密度体系的5系三元、6系三元和高镍三元材料;高能量密度体系中的硅碳负极材料、半固态电解液材料都在可应用范围之内。根据不同材料体系,上汽的魔方电池包电量范围为44—150kWh,适应A0级到D级车型。

上汽捷能高级总监葛海龙在此次峰会上介绍了上汽“魔方电池平台”的诞生背景。2018年,随着电动车领域的高速发展,电池电芯技术进步,在平台化、集成效率和安全性三方面的要求下,上汽推出了“魔方电池平台。”

“上汽整个电池开发过程,经历了单包应用开发、单包自主开发,再到平台自主开发,技术从一开始的标准模组,发展到深度CTP技术集成。”葛海龙说。

据介绍,“魔方电池”系统可以覆盖不同车型400km—800km的续航里程需求。目前上汽正在开发超过1000km超长续航的“金标电池”,以及基于800V电压平台的超级快充“黑标电池”,电池能够实现充电5分钟、满足200km续航。超级快充电池项目已经进入试样阶段,明年6月量产。

葛海龙也重点介绍了魔方电池在安全性上的表现。“电池电芯的安全并不代表整个电池包的安全,电芯只是第一步。”葛海龙说,“还要考虑在使用过程中可能会产生的一些过充过放,包括车辆在行驶过程中可能会产生的碰撞、涉水等,为此就需要做一些主动防护,主要是通过软件层面实现安全保护,同时在硬件结构上提供非常鲁棒性的结构防护。”

“主动防护以外,还要考虑被动安全的防护。即使某个电芯热失控触发,也要保证整个电池包不会进入热失控的状态。”葛海龙说。

而上汽魔方电池的安全设计理念,可以用“预、导、卧、隔、疏”五个字来总结。

以“卧”字为例,魔方电池采用的是电芯躺式布置的方式,能够最大限度地减少相邻两颗电芯之间热失控的传导路径,确保单个电芯热失控不会发生骨牌效应。同时躺式布置,电芯的防爆阀朝向两侧,能够天然降低电芯热失控时物质喷发时的伤害。

“使用同样的电芯和防护材料的情况下,躺式布置的安全性远好于立式布置的电芯。”葛海龙说。

此外,魔方电池的其他安全性特征还包括:预——7*24h远程监控体系,自学习功能使热失控可提前监测,防患于未然;导——系统远程监测到热失控,热失控酝酿期即开启最大功率散热;隔——气凝胶阻燃材料对所有电芯物理隔离,确保单个电芯热失控后不影响周边相邻电芯;疏——自动泄压防爆阀主动泄压,释放电池包内压力,使过热气体降温,防止气体喷射。

葛海龙说,“魔方电池”系统从材料、电芯、系统等各层级进行了复杂设计,如针对特定特性的电芯,开发特殊的隔热和防火材料,再通过系统集成,以达到其设定的系统安全标准,“在每一个层级我们通过设计到仿真,再到测试,不断地修正完善迭代。”

此外,据了解,上汽的“魔方电池”也是上汽和全球动力电池龙头宁德时代深入合作的产物。2017年,上汽集团与宁德时代共同投资在江苏省溧阳高新区注册成立了上汽时代动力电池系统有限公司。公司注册资金3亿元,其中,上汽集团占比51%,宁德时代占比49%。目前,公司已具有36万台锂离子电池系统的年产能。

而具体到魔方电池上,宁德时代方面表示,宁德时代将相关CTP技术授权给时代上汽,双方合作完成了生产。

广汽埃安加速电池产能落地,主打高比能硅负极电芯

广汽埃安开始自研电池的时间也不短。据广汽埃安新能源汽车有限公司研发中心电池研发部部长李进在此次峰会中介绍,在2017年广汽埃安成立的同年,公司就实现了首款纯电动汽车(BEV)自主设计的电池包量产并搭载,同时也开始了自主电芯的开发。2021年,广汽埃安已经发布了弹匣电池、海绵硅负极电池、超倍速电池等电池技术。

其中,高比能硅负极电池是广汽埃安最早自主开始的体系。电池为方型铝壳电芯,能量密度可达280Wh/kg.电池电芯采用高镍正极和硅负极的材料体系,而硅基负极材料在克容量上、以及高低温性能上,相比传统石墨负极更具优势。AION LX Plus搭载该款电芯,成为广汽埃安首款续航里程超1000公里的纯电动量产车型。

除了常规的铁锂产品外,广汽埃安还开发了微晶铁锂电池,核心目的是改善磷酸铁锂材料在低温性能和能量密度上的固有缺陷,同时保证较好的循环性能。微晶铁锂电池能够循环4000次以上,保持80%容量保持率,对应整车续航里程整体超过150万公里。

跟比亚迪和上汽方面一样,李进强调了广汽埃安对电池安全性能的重视。“在电芯本征安全、主动安全和被动安全三个层面,广汽都进行了相关的研发和改善工作。”李进说。

在电芯本征安全的提升上,广汽在整体材料单晶化,包括阻燃包覆,电解液的阻燃添加剂,隔膜的涂层,新型锂盐方面都进行了尝试和开发。

在主动安全方面,广汽埃安依托电池的大数据平台,通过车云协同的大数据AI算法,对电池进行故障预警和安全监控。通过大数据诊断,可以发现95%的电池故障,先于用户的感知。

而被动安全是降低电池热失控危害的最后一道屏障。2021年,广汽推出了防止电芯间热蔓延的安全技术,开发了快速散热电池系统。同时,通过第五代BMS控制系统,可以实现每秒10次的数据采集,对电池进行24小时监控。一旦发现电池出现异常,系统就进行异常状况启动,对电池快速冷却,保证整个电池的安全性。

不过,跟比亚迪和上汽有所不同的是,广汽埃安目前的头等大事是加速首批自产电池产能的落地。目前,广汽埃安电动汽车电池的主供应商是中创新航、宁德时代以及孚能科技。

就在此前12月11日,距离注册成立不到一个月,广汽埃安旗下的因湃电池科技有限公司正式破土动工。根据规划,工厂总投资109亿元,将在2023年10月实现厂房交付,2024年3月前完成首期 6GWh量产线导入,2025年底完成所有36GWh产线导入。届时,新工厂将可满足60万辆车的装车需求,年产值将超过210亿元。

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