宁德时代CTP3.0麒麟液冷设计
CTP3.0麒麟电池技术
了解麒麟电池先要理解什么是CTP技术,CTP将电动车的电池与底盘做融合的技术,英文全称为cell to pack,也就是无模组动力电池包,本质上就是为了在车身中塞下更多的电池,在没找到更高效电池材料的前提下,尽量把“油箱”做大。
目前宁德时代推出的麒麟电池是宁德时代第三代CTP技术的产物,它的体积利用率突破72%,能量密度可达255Wh/kg,如果装车的话,可以使整车突破1000km续航。就目前各家的公布的数据来看,宁德时代推出的麒麟电池是目前市面上能量密度最高的量产电池包,换句话说,谁先用上了麒麟电池,谁家的电动车先突破1000km大关。
举两个例子对比:
特斯拉4680的体积利用率为63%,电池组能量密度为217Wh/kg;
比亚迪全新的CTB刀片电池体积利用率为66%,电池组能量密度为200Wh/kg。
麒麟电池优势:
1)大幅提高安全性,水冷板附加隔热作用,可实现无热扩散;
2)提升快充性能,电芯双面水冷;
3)提升循环寿命,电芯加紧后寿命会短一半,也就是放松一点的话,循环寿命能长一倍,水冷板附加缓冲作用;
4)提高比能量:水冷、隔热、缓冲功能三合一,空间得到大幅节省,磷酸铁锂可达160Wh/kg、290Wh/L,三元高镍可达到250Wh/kg,450Wh/L,比4680多装13%的电量。
(一)麒麟电池创新点
(1)重构水冷系统
麒麟电池采用了集成式的多功能弹性夹层,宁德时代将电池包中的横纵梁、水冷板和隔热垫集成成了多功能的弹性夹层,将支撑、冷却、隔热、缓冲功能四合一,并且在多功能弹性夹层内搭建了微米桥连接装置,可以配合电芯在充放电的过程中产生的轻微形变而进行自由伸缩。
麒麟电池重构了水冷系统,对冷却系统进行了全新的排布设计。麒麟电池的水冷系统置于电芯与电芯之间,紧贴电芯大面,将传统置于顶部的水冷系统做到了电池的侧面,从而使换热面积扩大4倍,电芯控温时间缩短至原来的一半,目前宁德时代官方宣传麒麟电池可支持5分钟快速速热启动及10分钟快充至80%。
(2)电芯采取双排背对背方式侧立排布,因此可放入更多电芯,更有利于快充技术,同时安全性、体积利用率大幅提升。
(3)电芯倒置排放
首先采用了电芯倒置的设计,麒麟电池组则是倒立的电池,也就是电芯倒置。使用电芯倒置的排列之后,麒麟电池组让失控排气和底部球击空间共用,也就是我们常说的电池排气和安全空间做到了一体。这样在整包空间来看,会给电芯多留了6%的空间,从而提高电池组的空间利用率。
一句话概括就是:麒麟电池组本质上并没有改变电芯的内部结构和材料,改变的是电池系统结构,通过高度集成化的电池系统结构,提升电池组整包的体积利用率,从而达到从整包层面来看的能量密度提升。
高度集成化的电池系统结构会不会带来一些其他问题?
(1)结构件采用高强铝型材,挤压、焊接工艺;
(2)水冷板设计、水道流向、水流支路流量及制冷量分配;
(3)电池包内部温度与外部环境温度隔离设计;
(4)电气间隙、爬电距离、绝缘设计匹配;
(5)电芯采样及控制精度,绝缘设计及检测等。
(二)麒麟电池相关专利
宁德时代专利“箱体结构,电池及用电装置”,授权公开号:CN216648494U,我们可发现麒麟电池包的结构细节,其主要创新如下:
(1)方壳电芯采取背对背侧立方式排布于箱体内,而非原本直立方式,可放入更多单体电芯,更有利于快充,提高体积利用率;
(2)冷却板替代横纵梁,使支撑、冷却、隔热、缓冲功能四合一,有效提升空间利用率。新冷却板以加强体的方式插入电池排间,同时连接上盖和下箱体,起到传统横纵梁支撑保护作用;两排电芯共享一个冷却通道,相比一排电芯使用一个水冷板,减少冷却板数量,降低BOM成本,有轻量化的效果,更有利于快充时散热;
立式冷却板打造横向相对隔离空间,纵向电芯间有膨胀补偿片+绝热气凝胶,有效隔热实现“零热失控”;冷却板采用内外两层冷却通道,可吸收电池充放电及老化时产生的膨胀,减少电池单体挤压,提升电池循环寿命;此外新水冷板转移至箱体内部,可避免因碰撞易出现破损而导致漏液风险;
(3)下箱体有定位/限位槽,用于冷却板的安装及电芯组的固定,该设计可提高电芯组安装稳定性,避免相互碰撞损坏,但仍需导热结构胶保证强度及优化散热。
麒麟电池专利图
(三)麒麟冷却板
根据宁德时代专利“水冷板组件、水冷系统、电池及其箱体以及用电装置”,申请公布号:CN114497826A,我们可发现麒麟冷却板结构细节,其主要创新如下:
水冷板具有内外两层冷却通道,采用口琴管方式,其中外层和内层冷却通道中的一者为液冷通道,另一者为非液冷通道(如外层液冷,内层风冷),非液冷通道由于不填充冷却液,通道壁可以适当朝内变形,吸收电池单体膨胀,避免电池单体挤压损坏。
麒麟冷却板专利图
(四)宁德CTP技术迭代
第一代CTP到最新的第三代麒麟电池,电池包体积利用率从55%提升至72%。
CTP1.0:采用虚拟大模组,去掉模组的侧板,转而用绑带来替代,能量密度可达到 180Wh/kg 以上,代表车型北汽EU5。
CTP2.0:通过 Pack 下箱体分区设计,去除端板结构,同时可兼容 NP 技术(不热扩散技术)和 AB 电池等,再去掉模组的两个端板,利用箱体上的纵横梁来代替端板,能量密度可达到 200Wh/kg 以上,代表车型蔚来75度。
CTP3.0:通过水冷版侧置,即起到隔热功能,又加强了系统的冷却能力,使得高倍率快速充电成为可能,进一步去掉箱体上的纵横梁,利用两个电芯之间的夹板和电芯本体来实现结构上的需求。-公众号-新能源电池热管理-能量密度可达到 250Wh/kg 以上。
宁德三代CTP性能差别
(五)宁德CTP3.0 VS 特斯拉CTC
首先一句话概括:麒麟电池是高度集成化的电池系统技术迭代,特斯拉4680则是改变电芯结构的技术迭代。
麒麟电池水冷板放置与特斯拉4680电池类似,都是在电芯间夹水冷板,但特斯拉水冷板无需起支撑作用。大圆柱间散热空间更大,上方还有额外一层水冷板,因此特斯拉CTC散热效果好于麒麟电池,叠加全极耳设计,非常利于快充设计,但空间利用率肯定要低于麒麟电池。
特斯拉4680水冷板结构
(六)宁德麒麟电池与大圆柱ctc、比亚迪ctb对比
特斯拉的4680电池最大的升级,或者说和目前其他电池厂家相比最大的升级就是“无极耳”技术。首先要说明,4680的“无极耳”技术不是没有极耳了,而是整个面都变成了极耳。
利用这种技术,使得特斯拉的4680电池在单体能量密度上能达到约300Wh/kg,但是圆形电池本身在电池仓内的布局有天然劣势,只能用到60%左右的电池舱空间,所以在整包能量密度上来看,特斯拉的4680电池反而比宁德时代的麒麟电池能量密度要低。但是从电芯技术发展的角度来看,4680是要比麒麟电池更加先进的,同样是CTC技术,特斯拉的4680电池带来的技术创新会比麒麟电池更多。
(七)宁德CTP3.0 VS 比亚迪CTB
比亚迪CTB采用上层直冷板设计,且电芯间无冷却设计,因此其冷却效果劣于麒麟电池,不利于电池快充时散热。比亚迪CTB仍保留提供强度/刚度的横向钢梁,结构强度好于麒麟电池,但体积利用率更低。
比亚迪CTB技术示意图
(八)麒麟电池VS上汽魔方电池
魔方电池是上汽和宁德合作产品,麒麟电池和魔方电池相似度较高,均采用立式冷却结构,但魔方电池采取双电芯躺式布局而非麒麟的侧立布局,上下电芯间没有膨胀补偿片+绝热气凝胶的隔离层,无法做到真正无热扩散,因此麒麟电池控制热扩散效果更好。魔方电池垂直方向厚度更薄,但其体积利用率低于麒麟电池。
魔方电池内部结构图
最后综合来看,麒麟电池的优秀是毋庸置疑的,作为目前能量产的最大“油箱”,麒麟电池在产品力上是非常优秀的。
麒麟电池的水
冷板替代电池包横纵梁,叠加双层冷却通道设计,同时具备支撑、水冷、隔热、缓冲四大功能。此外电芯采取双排背对背方式侧立排布,因此可放入更多电芯,整体安全性、快充性能、循环寿命及比能量得到较好提升。麒麟电池是公司在现有的方形电池技术路线下,通过结构创新,进一步提升电池性能重要方式,铁锂+麒麟电池可与刀片电池竞争,高镍三元+麒麟电池可与4680竞争。公司此前表示,将在2023年量产符合无热扩散要求、续航里程可达1000km的麒麟电池。
虽然麒麟电池在电芯技术上并没有什么突破性的创新,但是胜在技术相对稳定,并且良品率高。要知道特斯拉受限于极耳激光焊技术超高的技术难度,使得4680电池低良品率,导致4680电池组足足跳票了两年,技术再好产能跟不上也是无用功。
对于消费者来说,只要能满足日常续航的需求,只要续航能突破1000km,就基本解决了长途行驶多次充电的问题了。
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