比亚迪的电池专利 – 来自中国的有边角的“圆形电芯”
德国《车评》,2023年2月17日
作者:Luca Leicht
【资料图】
编译者:刘晓毅博士,观昱机电技术(上海)有限公司CEO
在特斯拉一直采用圆形电芯同时,尤其德国的厂家依然用方形电芯或者软包电芯。中国的电池和汽车制造商比亚迪开辟了一条新的道路,开发出六边形的“圆电芯”。
图1比亚迪汉的电池专利(源自《车评》)
如常常发生的, 工程师们在开发电池时,从大自然激发出创意, 因此产生了圆形电芯, 只有这样, 才能充分利用空间、 并提高电池的可靠性, 如果不是这样的话, 生产电芯比起圆形电芯来说,是不可比拟的复杂, 当然, 这是从单个电芯来看的话。当把圆形电芯组装成电池包时, 形成其中空隙, 这些空隙导致冷却效率下降、 空间利用率减小因此功率(能量)密度降低。
图2六边形电芯(源自《车评》, 应是比亚迪专利文件的图片(译者注))
比亚迪申请了一个专利,因此解决了上述问题,也是受到大自然的启发。创意是:六边形的电芯,然后如同蜂巢一样排列,由此而组成所谓“刀片电池”,准确地说,这是指六边形的方形电芯。
图3六边形电芯与圆形电芯的对比(源自《车评》)
尤其是从电芯顶部看去,这种蜂巢式排列的优点显而易见。对比圆形电芯,其中空隙不见了(这些空隙完全被利用起来),因此可以注入更多的电解液来提高电芯寿命,此外, 六边形电芯使得电池包更加稳固、拥有更好的防撞性能。
比亚迪专利指出电芯的高度介于60至150毫米,直径15至60毫米。具体地说,高度90毫米,直径为40毫米,按照通常的命名逻辑,比亚迪的六边形电芯称为4090电芯。
比亚迪的磷酸铁锂4090电芯,在尺寸上有别于特斯拉的4680电芯,美国人的是更厚(直径)、更小(高度),比亚迪的六边形电芯和特斯拉的4680电芯都比市场上通常的电芯要大些。比亚迪的六边形电芯采用磷酸铁锂材料、特斯拉的圆形电芯采用三元材料(镍、錳、钴),以此得到的能量密度:特斯拉约为244Wh/kg, 而比亚迪的为290Wh/kg(比亚迪的专利未公开这个数据、依据理论推算出)。
图4六边形电芯电极布置(源自《车评》, 应是比亚迪专利文件的图片(译者注))
另外一个六边形电芯的特征是它的电极。不同于通常的电芯,电极布置在上、下端,六边形电芯的阴极、阳极均布置在电芯上方,阴极(22)位于中间,阳极(21)分为三部分布置在边上, 这样设计的方式, 可以使电芯更简单、 更防止短路。
再说电池包,比亚迪的专利里采用基于蜂巢形的铝外壳,这种结构也用于比亚迪的“刀片电池”。这样,比亚迪的电池包拥有80%至90%的电芯含量,别的电池包电芯含量仅为约60%。这样的刀片电池尺寸96厘米长、9厘米高、1.35厘米厚,按照4090电芯尺寸,电池包至少有约9厘米的空间用于外壳和冷却。总体来说,这样的电池包依然很“苗条”,对比梅赛德斯的EQ车型,大多数多出20厘米。
进一步的优点:蜂巢结构拥有非常好的稳定性,并更便于Cell-to-Pack(CTP)或者Cell-to-Chassis(CTC)的电池包设计,这意味着,不需要先把电芯组成模组,然后才由模组组成电池包,而是直接由电芯组成电池包(编译者注:目的是降低成本、减轻重量)。特斯拉的4680电芯就是这样组成电池包的、宝马计划2025年新一代电池包设计采用Cell-to-Open-Body方案。
比亚迪的六边形电芯解决了许多问题、使电池包有更好的稳定性、更长的寿命、更好的效率。拥有蜂巢结构(六边形电芯)的电池包是否能够大规模工业化生产,令人拭目以待,这也是传统圆形电芯的至今无法超越的优点。
编译者 刘晓毅博士(观昱机电技术(www.costkey-solutions.com)创始人、CEO),德国戴姆勒集团(奔驰汽车)20多年新生产工艺、整车企划(含新能源汽车)和成本工程;德国物理学家奖获得者;工信部“长风计划”新能源与智能网联汽车产业智库专家;长城汽车技术中心高层技术管理;中国工信出版集团“国之重器出版工程”重点图书《制造企业的成本工程体系》作者;上海交通大学电子信息与电气工程学院研究生企业导师;同济大学汽车学院客座教授; 工信部人才交流中心/中国汽车产业培训基地/高顿财税学院成本工程特聘讲师;盖世汽车《刘晓毅专栏》作者;CostKey是观昱机电技术自主开发的国内首个云端企业级成本工程SaaS软件系统, 获得上海市科委创新基金奖。
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