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现场看扎针更刺激?比亚迪刀片电池你要了解这些事

2020-06-04 17:07:02 来源: 网易汽车 网易号 举报
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比亚迪刀片电池工厂首次对外开放,这里藏着比亚迪电池的核心秘密!

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网易汽车6月4日报道 如果评选2020年中国新能源热点话题,刀片电池绝对会高票当选。

年初的电动汽车百人会论坛上,比亚迪董事长兼总裁王传福首次披露正在研发刀片电池后,刀片这一概念开始迅速引爆汽车圈,甚至连带刺激着比亚迪的股价一度大涨。

近日,我们参观了比亚迪重庆弗迪工厂,这里是刀片电池首发工厂和目前唯一的生产基地。由于保密原因,工厂内部的照片无法全部跟大家分享,我们可以从刀片电池近期热点话题、材料特性、制造工艺,及比亚迪对刀片电池的技术规划等角度跟大家聊聊比亚迪的这把刀。


刀片电池在哪生产?

刀片电池的家位于重庆。

目前,比亚迪旗下的重庆弗迪锂电池有限公司,是刀片电池的首发工厂和唯一的生产基地。

比亚迪重庆弗迪生产基地在去年2月才动工建设,今年3月第一条生产线投产,从动工到投产只用了一年多,也再一次见证比亚迪速度。

按照规划,比亚迪为重庆弗迪总投资100亿元,计划建设8条动力电池生产线。建成后这座工厂具备年产动力电池20GWh的能力,今年年底产能为12GWh。

除了重庆外,目前比亚迪还在国内其他城市规划了刀片电池工厂,建成投产还需要等一段时间。

刀片电池有哪些特点?

了解新能源汽车的用户都知道,传统电动车的电池由电芯组成模组,再由模组组成电池包,由于存在大量结构件,整个电池包空间利用率只有40%左右。

而比亚迪刀片电池则将电池做成长条薄片,跳过模组环节直接由电芯组成电池包,在不改变正负极材料,仅改变单体形状的提前下大大增加了电池电量。

简单的说,空间利用率越高,体积比能量密度越大,反应到车上就是直接提升了车辆的续航能力。


举个例子,原来400公里续航的车,搭载刀片电池之后能够直接增加200公里续航。比亚迪旗下首款搭载刀片电池的汉EV综合工况续航里程为605公里。

体验了一把现场扎小针

除了体积能量密度带来的续航提升,安全则是刀片电池另一大优势。最近引爆吃瓜圈的针刺测试也是基于此来的。

早在今年3月份刀片电池线上发布会上,比亚迪就对外展示了刀片电池和普通磷酸铁锂电池及三元锂电池的针刺测试对比视频。

针刺测试是电池行业公认的最严苛的测试。

为电池单体做针刺测试的核心目的是为了模拟电池受到异物贯穿,电池发生内短路的情景。当然实际用车过程中出现这个场景的概率并不高。但针刺测试可以从某种角度验证内短路后电池的安全性。


这种测试方法是将动力电池充满电,用直径为5-8mm 的耐高温钢针,以25±5mm/s 的速度,从垂直于电池极板几何中心的方向贯穿电池,钢针停留在电池中,观察1小时,不起火、不爆炸才合格。


当时发布会的视频显示,刀片电池被刺穿时,结构完整稳定,未出现任何起火冒烟现象。而对比的三元锂电池起火爆炸,普通形状的磷酸铁锂电池无明火但冒烟了。三元锂电池则起火爆炸,表面温度高达500度。

王传福在发布会上表示,刀片电池将把”自燃”这个词从新能源汽车的字典里彻底抹掉。

这次我们又在工厂的实验室现场观看了一次刀片电池对比三元锂电池的针刺实验。

这么说吧,现场测试的冲击力大大超出我们的预期。

实验中三元锂电池在穿刺几秒钟后发生爆炸起火,即便隔着防护玻璃,也能感受到爆炸声带来的冲击力,用震撼这词一点都不过分。




同等条件下,磷酸铁锂电池则在针刺后无爆炸无起火,直观的结果是电池表面温度逐渐上升,电芯电压逐渐下降。


比亚迪刀片电池针刺测试 (来源:网易汽车)

中国科学院院士欧阳明高曾表示,刀片电池具备磷酸铁锂电池放热启动温度高、温升慢、产热少、分解不释放氧气等优势,加上刀片电池电芯变长变薄,表面积也随之增大,整体散热性也更优秀。此外,电池发生短路的回路比较长,产生的热量会比较少,所以刀片电池针刺的表现非常完美。

除了磷酸铁锂本身较安全的材料属性外,在结构和防护上比亚迪对刀片电池包整体装车后也进行了重点设计。

刀片电池将单体电池拉长做薄,同时采用竖立排放的方式,本身就可以为电池包带来高强度的侧面支撑。而电池堆的上下两面设计粘贴了蜂窝状铝板结构,可以更好的保护电池包。

目前多家车企正在和比亚迪探讨刀片电池合作方案。比亚迪内部人士透露,明年会对国内一家自主品牌批量供货,更多出货在2022年-2023年启动。

刀片电池不只有安全一张牌

弗迪副总经理孙华军表示,刀片电池量产前比亚迪秘密筹划了1.5-2年,最终在结构上做出了创新。相比传统电池包,刀片电池整车电池包零件数量降低了40%,体积利用率增长50%。

对于刀片电池的优势,孙华军进一步表示,刀片电池在安全、强度、续航、低温、寿命和功率6个层面都取得了业内领先的技术参数。


可以举几个例子。

安全不用说,材料属性决定了磷酸铁锂安全性显著优于三元锂。

此外,比亚迪内部对刀片电池的测试标准也远高于国标要求,例如,炉温测试,国标要求为130度,刀片电池可以做到300度无起火、无爆炸,仅仅是冒烟。

过充测试,国标要求最大电压为标准的1.5倍,而刀片电池可以做到2.6倍,仅冒烟,无起火,无爆炸。

热扩散实验,比亚迪汉EV电池包在强制引发热失控前提下,最高温度约为350度,临近电池背面问题仅为80度,仅冒烟,无起火,无爆炸。

强度方面,汉EV电池包经历过振动,模拟碰撞,挤压和抗压测试,振动模态80HZ以上,相当于实车120万公里模拟使用,电池包指标正常。最大挤压100-800KN,电池包仅轻微变形未冒烟,未起火。


此外,在电池循环寿命方面,磷酸铁锂电池也比三元锂有先天优势。

在大家关心的低温续航层面,比亚迪为汉EV的电池包上下覆盖了保温材料,并在中间设计了一整片与电池面积相同的热管路,保障冬季电池内部温度和续航。


孙华军表示,以北京冬季为例,不开空调汉EV(NEDC605公里版)续航可达到500公里左右,开空调续航可以到400公里。

当然实际表现如何,还得等到我们冬季实测后下结论。

低温充电时间方面,刀片电池从0%充到100%与NCM811没有太大差距。充电功率方面,低温高电量下优于NCM,低温低电量下低于NCM。

刀片电池最高续航还能提升多少?

对于刀片电池未来还有多大的潜力挖掘,孙华军表示,2-3年内伴随比亚迪对电化学体系进一步研究和性能提升,刀片电池电池包系统能量密度可由现在的140kw/kg提升到170kw/kg,以汉EV为例,搭载刀片电池后其最大续航里程可提升到700-800km。


新国标为何取消针刺实验?

前几天针刺话题让很多网友疑惑,新国标为何取消针刺实验,是标准放水了?

今年5月12日,工信部组织制定的GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 30381-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项强制性国家标准发布,将于2021年1月1日起开始实施。


为何取消针刺测试,基于多方面考虑。

首先,最重要的原因是三元锂电池通过难度大,客观地说由于三元锂电池因为材料活性高,达到分解温度后还会释放氧气,进而会加速高温作用下的连锁热失控。通过针刺测试的难度较大。宁德时代搭车的三元锂电池过不了针刺,同样量产搭车的比亚迪生产的三元锂电池也过不了针刺。

并且,针刺这种情况只有极端条件下才会出现,概率太低也不具备普遍的意义。

由于新国标由推荐改为强制标准,如果定的门槛过高,也不利于行业中小企业发展。

其次,接轨国际标准,早期新能源汽车测试的内容主要借鉴参考消费电子领域锂电池测试要求。但现在新能源汽车产销过百万,此技术内容需要与国际全面接轨,而电动汽车安全全球技术法规中没有针刺测试这一项目,需要说明的是有些车企内部还是有针刺标准的。

最重要的是,新国标增加了电池系统热扩散试验,要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间。这条思路很明显将电池研发测试的思路调整为整车系统层面。

刀片电池是如何生产出来的?

了解完刀片电池基本信息后,接来下进入生产制造环节。


众所周知,电池生产对车间的粉尘、温度和湿度三个指标要求非常高。重庆弗迪工厂的无尘级别为十级,局部可以到百级, 为了最大程度降低电池的短路率,比亚迪提出了一个粉尘分级管控的概念,在一些关键工序上,能够做到一立方米空间内,5微米(头发丝1/20粗细)的颗粒不超过29个,达到了与液晶屏生产车间相同的标准。

为保证材料及设备的稳定,车间温度需要控制在恒温25度左右。车间整体湿度控制在1%以下,关键工序要求更为严格,相当于普通环境中水分的万分之五。

与三元锂电池生产类似,磷酸铁锂刀片电池生产过程分为八大步骤,分别是配料-涂布-辊压-叠片-装配-烘烤-注液-检测。

与行业其他企业相比,比亚迪刀片电池制造中优势是什么呢?

这么说吧,重庆弗迪刀片电池在某些关键数据、制造精度和效率上远超行业同级水准。


比如,配料工艺中,刀片电池原料下料精度可以控制在0.2%以内,行业通常为0.3%。


涂布工艺中关键词是快、宽、匀、准;

快:双面涂布可实现70m/min的高速度。

宽:最大涂布宽度可达1300mm。

匀:单位面积喷涂重量偏差控制在1%以内。

准:涂布宽度尺寸偏差控制在0.5mm以内,行业普遍在1mm以内。


辊压工艺中,刀片电池主辊宽度可以做到业界领先的1200mm,还能够以130m/min高速运转。此外,通过弯缸受力设计可以使辊压后的涂层两侧厚度更均匀,涂层整体厚度误差控制在2微米以内。


叠片工艺,受制于刀片电池长度原因,业内此前没有此类成熟设备,比亚迪就自己研发了高速叠片机,可以实现0.3S/pcs效率,同时对齐公差可控制在正负0.3mm以内,这几个参数在业内处于领先地位。

要知道目前业内做的比较好的蜂巢能源叠片效率可达0.6s/pcs,0.45s/pcs样机正在开发中,规划到2023年可以实现0.25s/pcs。

智能机器手臂在刀片电池生产过程中广泛应用
智能机器手臂在刀片电池生产过程中广泛应用(官方图)

装配工艺,刀片电池装配电芯单体的装配偏差可控制在正负0.5mm以内,并可以实现在线监测,对电池关键信息溯源。


检测工艺,设备可以自动完成化成、充放电、分容、自放电等过程,无需人工检测,实现漏检率为0。


总结一下,参观完刀片电池的整个生产流程后,可以明显感觉到比亚迪的刀片电池的优势涵盖、环境、电池工艺、系统制造、品控等多个环节,每个环节的优势哪怕只比同行领先一点点,但汇集到系统层面,领先差距就更明显了。

三元锂电池能搞刀片吗?

说到底刀片电池更多的是在结构上进行了创新,其他企业或三元锂能不能也搞刀片电池?

理论上没问题。

但比亚迪已经为刀片电池申请了367件专利,这些专利涵盖材料优化、结构、工艺、电池管理和整车集成,环环相扣犹如形成了一个巨大的专利网,用比亚迪自己的话说,其他企业想绕过其中部分专利不难,但想系统性的绕过这张网很难。


磷酸铁锂和三元锂路线之争谁能赢?

谁能想到小小的一根钢针,引发了2020年新能源行业的口水战。

其实比亚迪和宁德时代作为新能源产业中为数不多的工程师企业,他们对各电池路线的优缺点很清楚,但架不住吃瓜群众看热闹不怕事大的需求,再加上为了某种营销的现实需求,有一批网友明显在带舆论节奏。

说到底针刺口水仗的核心依旧绕不开动力电池领域老话题:“磷酸铁锂好,还是三元锂电池好”?

磷酸铁锂和三元锂两者特点鲜明,也各有优劣势。

磷酸铁锂热稳定性好,循环寿命和安全性优于三元锂电池。

三元材料能量密度高,同等电量下可以大幅提升车辆续航,且低温性能高于磷酸铁锂。

如果从电池核心的安全、能量密度、循环寿命、低温性能四个维度来看的话,两者打个2:2平手。

安全方面,磷酸铁锂要比三元锂电池有先天优势,这也是此次口水仗大家聚焦的关键点,也就是敢不敢让我拿小针扎你一下试试。

但更现实的问题是,无论是磷酸铁锂还是三元锂电池,只要着火了都很难扑灭。

虽然,电芯单体安全性固然是基础和加分项,但实际使用过程中,磷酸铁锂和三元锂电池的重中之重仍需要做好电池PACK系统和整车的安全。

而消费者购买和最终使用的是车辆,而非一堆电池单体。

如同参加考试一样,整车安全才是代表综合能力的总分。

电池测试跟高考很像,侧重综合能力的比拼,虽然有些特长生可以单项加分,但最终能否考上好大学看的还是总分,也就是整车安全。

电芯验证,相当于各单科日常小考试,用来验证一个学生基础水平,模组的验证,相当于期中考试。电池包验证相当于期末考试,考验一个学生年内学习的综合水平。

而最终的整车测试就相当于高考,整车测试主要涵盖碰撞安全、涉水与防水、环境(高低温)适应测试等方面的检测。

通过以上考试成功考上大学后就万无一失了?

别忘了大学毕业后还需要进入社会大学历练。也就是消费者购买车辆后,日常使用过程中发生的自燃事故,也得具体问题具体分析。

现阶段行业对两者竞争已经达成了一定共识,公交大巴等对安全要求第一位的商用车,及受购买预算影响较大的经济性乘用车,将优先使用磷酸铁锂电池。

对购车预算不敏感,且需要保障续航能力的中高端车型,可以考虑使用高能量密度的三元锂电池。


首款搭载比亚迪刀片电池的汉EV即将上市,近日在工信部第333批产品公告中,比亚迪申报了包括秦EV、秦Pro EV、宋Plus EV等多款搭载磷酸铁锂电池的车型,这表明越来越多的比亚迪纯电动乘用车未来将陆续加入刀片电池的行列。

比亚迪对刀片电池的期望很高,不过市场的归市场,刀片电池能否既叫好又叫座,还得消费者用销量投票。

如果从更长远的角度来看,磷酸铁锂和三元锂电池或许只是过渡性的技术,两者都不是最完美的动力电池种类。

未来一定会有四个维度(安全、能量密度、循环寿命、低温性能)全部符合更高要求的新电池,例如固态电池之类的代替两者,当然,这需要动力电池在原材料和化学体系上的突破。

磷酸铁锂和三元锂之争本身就具有一定的时代限制,别看今天两者打的热热闹闹。可能用不了几年就被双双抛弃,如同今天我们已经很少去争论铅酸电池和镍氢电池谁更适合上车一样。

至少现阶段,提升了续航和低温性能的磷酸铁锂刀片电池是个不错的选择。

此次参观刀片电池工厂过程中,跟比亚迪工程师交流时,对方数次被问到针刺测试和宁德时代pk的“敏感”话题,他们表示磷酸铁锂和三元锂各有优缺点。新能源汽车发展一定阶段后,需要根据用户和市场需求开发相应的材料体系,比亚迪和宁德时代都是业内领先的企业,双方应该互相尊重,共同为中国新能源产业贡献力量。

尊重友商,良性竞争才能更好的提高中国新能源电池的核心竞争力,不要忘了,松下、LG化学、三星SDI正在重启中国市场。

王铭 本文来源:网易汽车 责任编辑:王铭_NA5955
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