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宁德时代“麒麟电池”VS比亚迪“刀片电池”

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2022年2月以来,俄乌冲突局势逐步升级,提高了世界各国对能源问题的关注。虽然油气的实际供需暂未受较大影响,但市场的担忧刺激国际能源价格一路走高。剧烈的油价波动牵动着千家万户,人们对新能源汽车的热情和期待空前高涨。


据此,本文从国内新能源产业中不得不提及的龙头宁德时代和比亚迪出发,围绕核心部件动力电池“锂电池”,以专利的角度看看二者的技术差异,以期为消费者提供更多的信息。


宁德时代VS比亚迪


作为国内新能源产业龙头之一,比亚迪始终坚持磷酸铁锂电池,并于2020年推出代表作“刀片电池”:刀片电池“在体积比能量密度上比传统锂电池提升了50%,具有高安全、长寿命等特点,整车寿命可达百万公里以上”。相较之下,宁德时代自2017年后凭借三元锂电池的价格优势逐渐赶超比亚迪。近日,在2022中国电动汽车百人会论坛上,宁德时代首席科学家吴凯表示,宁德时代通过不断技术迭代,推出了第三代 CTP 技术,内部称其为“麒麟电池”,并称该电池在各个指标上的能量密度都将引领行业最高水平。在相同的化学体系、同等电池包尺寸下,麒麟电池包的电量,相比特斯拉4680系统可以提升13%。2022年3月30日,宁德时代入选美国《时代》周刊(TIME)“最有影响力的100家企业”榜单。


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图1 宁德时代入选TIME周刊封面


能量PK:麒麟电池 VS 刀片电池


一般电动汽车上搭载的电池包,由电芯(Cell)组装成为模组(Module),再把模组安装到电池包(Pack)里,形成了“电芯(Cell)— 模组(Module)— 电池包(Pack)”的三级装配模式。而CTP,即Cell to Pack,即取消模组,电芯直接集成为电池包。模组越多,零部件越多,成组效率也就越低,反过来,少了模组,电池包的整体重量减轻,电池包的能量密度提升,零部件减少,生产效率也随之提高。目前CTP有两种技术路线,一种是以大模组替代小模组的方式,代表为宁德时代的麒麟电池;另一种则采用完全无模组方式,代表为比亚迪的刀片电池。深入了解CTP技术,就要弄清楚模组的作用。


所谓模组,是将部分相关零部件构成一个模块,也可理解为一个零部件集合、总成的概念。在电池包领域,将若干电芯、导电排、采样单元及一些必要的结构支撑部件集成在一起构成一个模块,也叫模组。去掉模组后,其关联的高压线缆、通讯线缆、冷却/预热循环管路、BMS监测模块、温度传感器、电流传感器等设备,都要进行适应性改进或重新布设。


麒麟电池


宁德时代麒麟电池技术基于高镍三元锂架构,其核心是减少模组数量,直接由多个大容量电芯组成标准化电池包,再灵活堆叠组成更大的电池模块,适应不同车款的储能需要。如下图所示,其主要亮点是在模组与模组间采用一种套筒的连接方式紧贴在一起,同时套筒下有固定装置与整车相连,这样整个模组简化了结构,实现了电池包轻量化,也提高了电池包在整车的连接强度。(CN209658278U,电池包)


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图2 宁德时代麒麟电池内部堆叠示意图


从以上分析可以看到,宁德时代采用大电芯和大模组,主要对电池包内部的连接进行结构上的优化,省去了中间过程的零部件,从而简化装配工艺和流程。其优势主要有三点:第一,CTP电池包因为没有标准模组限制,可以用在不同车型上,使用广泛;第二,减少内部结构组件,CTP电池包能提高体积利用率,系统能量密度也间接提升;第三,其散热效果要高于目前小模组电池包。


刀片电池


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图3 比亚迪刀片电池包组装示意图及传统电池组


由图3可知,右侧为传统电池组采用的是圆柱形状的单体电池,堆载在一块之间的间隙较大,浪费了大量空间。左侧为比亚迪的“刀片电池”,主要基于其所擅长的磷酸铁锂技术,采用自家研发的长度大于0.6米的大电芯,电池单体同样向大容量进化,但电芯形状更加扁平、窄小(长边可以定制变化,单体最大稳定长度可以达到2500mm),通过阵列的方式排布在一起,就像“刀片”一样插入到电池包里,这也是大家称之为“刀片电池”的原因。


可以直观地看到“刀片电池”回路更长,表面积更大,散热效果更好,也省去较多支撑结构,比传统排布方式的空间利用率提高了近20%。(CN110379963B,动力电池包及电动车;CN110165116B,电池包,车辆和储能装置)


表1 麒麟电池与刀片电池性能对比

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上表从设计思路、实现过程、生产效率,电池包体积能量密度、电池包质量能量密度、电池包结构件数量和成本等角度对麒麟电池和比亚迪电池做了对比分析,简单来说,二者相同之处在于都是改变电池系统的物理结构,把模组减少或省掉。不同之处则在于宁德时代不改变电芯的形状,而“刀片电池”则改变了电芯的尺寸。宁德时代的技术,注重自上而下的设计思路,在没有改变电芯尺寸的基础上,对模组和电池包进行结构优化,实现大幅缩减零部件,减轻重量,大规模应用后有望显著降低材料及生产成本。比亚迪的“刀片电池”技术,注重自下而上的思路,创新性地提出把电芯长度做长(600mm-2500mm),厚度做薄,呈现“扁平”和“长条”形状,利用电芯本身的结构特点来提高散热性,提供承载力,充当结构件。


得益于新技术的应用和电池包物理结构的调整,刀片电池的体积能量密度相比过去能提升50%,不同规格的电芯体积能量密度分别达到了439Wh/L~450 Wh/L,其单电芯质量能量密度达到180Wh/kg,装配成电池包后系统能量密度为140Wh/kg。尽管刀片电池体积能量密度比提升明显,但麒麟电池的电池包质量能量密度能达到250Wh/kg以上。可见,刀片电池在质量能量密度上要稍微逊色些。


值得注意的是,对于动力电池(包)而言,考虑到乘用车的底盘空间有限,特别是一些对底盘偏矮的轿车/跑车来说,体积能量密度是最直接最有效的研究判断指标,而不是只执着于质量能量密度。


综上,刀片电池和麒麟电池在电池体积能量密度和质量能量密度上各有优势,谁胜谁负,暂未可知。


安全性能PK:麒麟电池 VS 刀片电池


除了能量密度之外,消费者更关心的少不了动力电池的安全性。对于两种电池的安全性能的PK,不得不提及针刺实验。2020年1月,比亚迪董事长兼总裁王传福在中国电动汽车百人会论坛(2020)上首次公开证实,“刀片电池”将于该年3月量产问世。


此后比亚迪公开了关于刀片电池的针刺实验,其选取当时纯电动汽车最为流行的三元锂电池和磷酸铁锂电池作为试验比照对象。如图4不难看出,三元锂电池的表现最为惨烈,普通的磷酸铁锂块状电池表现稍好,“刀片电池”在实验中表现最为出色。鸡蛋形状肉眼观察到的变化不大,电池既没有出现明火爆炸,也没有冒烟,表面的温度控制在30~60℃之间。


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图4 比亚迪针刺实验效果图

(引自比亚迪公开视频截图)


刀片电池自前年的针刺试验后名声大噪,经过两年时间的检验,已经获得越来越多新能源车制造商的认可。相比之下,宁德时代第三代CTP技术下的麒麟电池,伴随着无热扩散技术推出,不免让人又有了些许遐想空间。


对于动力电池的安全性,往往会考虑到动力电池的热管理,下面我们从专利角度看看二者在热管理方面的异同。比亚迪和宁德时代都提供了水冷和风冷两种方案。其中家用车为水冷方案。


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图5 比亚迪刀片电池结构示意图


如图5所示,“刀片电池”的水冷方案是把水冷板放在整个电池包的上面,与模组顶板直接接触,对电芯侧面窄边进行冷却。同时,为提高导热效率,模组顶板与电芯侧面之间有导热板,整个包的温度差控制在1℃以内。


此外,电芯的另一侧面与模组底部之间有隔热层,以隔绝电芯与外界的热交换,起到保温作用。对于热失控情况,比亚迪“刀片电池”的处理思路是:正对着防爆阀设计进气孔,将热失控发生后的气体、火焰等引导到排气通道,经排气通道排向周围环境。(CN110416451B,电池容纳装置和电动车)


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图6 比亚迪刀片电池包边框结构放大图


而宁德时代的水冷方案与其之前的热管理方式相同,是把水冷板放在整个电池包的下面,与模组底板直接接触,对电芯进行冷却。与此同时,为提高导热效率,电芯的侧面、壳体里面填充导热胶。此外,在电芯侧壁和电芯壳体间内置压力或者温度传感器,提前探测热失控。(CN209071461U,热管理装置及电池包)


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图7 宁德时代电池包热管理装置结构示意图


从硬件层面来看,比亚迪刀片电池为电池包设计了新的排气孔和排气通道,避免火焰、烟雾或气体聚集在模组内,对电芯造成二次伤害。


综上,虽然针刺试验结果不能完全代表电池组的安全性,但在消费者的眼中,针刺试验就是一项“量化”好了的标准。麒麟电池能否遏制刀片电池的狂奔,目前下结论还为时尚早。


总结


综上所述,从能量角度出发,无论是比亚迪“刀片电池”还是宁德时代的“麒麟电池”,两者的本质都是锂电池电池包的结构工艺创新,整体提升锂电池电池包级的能量密度;而从安全性能上,“刀片电池”在热管理上现阶段似乎更胜一筹。


当前锂电池电芯能量密度的提升遇到了阶段性的瓶颈,而电芯能量密度的提升显然更加考验锂电池厂电化学的研发实力!相信宁德时代和比亚迪均在不断寻求技术突破,在这场没有硝烟的战争中,暗涌悄无声息,市场最终会给予答案。



北京品源知识产权管理咨询有限公司 刘达


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