起底电池大王比亚迪 搭载50万辆的秘密

对于新能源汽车来说,最重要的部分是动力电池,比亚迪的动力电池无论能量密度还是电池管理都做到了行业的前列,一心主攻技术的比亚迪被业界公认为“技术宅”。对于“技术宅”比亚迪来说,除了要保证充沛动力和操控性能外,更注重的是消费者的用车安全。

SMM网讯:2018年被称为新能源汽车的元年,在这一年,燃油车的销量出现前所未有断崖式下降,很多的车企有大量汽车库存,但是新能源车的销量却一路高歌呈现出指数级增长。截止到目前,已经有超过50万辆电动车搭载了比亚迪动力电池,涵了盖乘用车、商用车和专用车领域。

  随着电池技术的成熟、能量密度的提高、整车价格的下降,新能源汽车正在争夺燃油车的市场。这很容易让人联想到100年前那场电动车和燃油车的争端。

  100年前的“油电之争”

  100多年前,福特T型车售价850美元,而维多利亚电动车卖到2000美元,电池和电机的高成本使得电动车的价格居高不下。为了开拓电动车的市场,生产出维多利亚电动车的奥利佛借着电动车在美国诞生20周年的机会,在报纸上招募了一场挑战活动“丹佛至纽约的电动车越野耐力挑战赛”。尴尬的是除了奥利佛没有人报名,最终奥利佛耗时29天,驾驶他的电动车完成了这场“一个人的比赛”。此次比赛全程2800公里,奥利佛的电动车却没有出现什么质量问题顺利完赛,因此奥利佛名声大噪,电动车也得到了蓬勃发展。

  紧接着福特T型车开始了流水线生产,并将价格压低至260美元;福无双至,祸不单行,石油采炼技术和内燃机性能的大提升,使得电动车速度及续航的问题越来越明显。在价格高和续航差的双重冲击下,20世纪30年代,电动车终于退出了历史舞台。

  100年后的历史“重演”

  回到当代,石油资源严重短缺,环境污染日益严重,此刻的电池技术也有了较大发展,因此电动车重新被推上了历史舞台,燃油车和电动车又将掀起一场争端,历史总是惊人的相似,只不过这一次电动车扮演的是攻擂者。

  在电动车的道路上投入最早的是比亚迪,1995年比亚迪公司成立,开始从事手机电池的生产,从2005年起,比亚迪开始从事电动车锂电池的开发,经过15年的技术经验积累,比亚迪已经成为新能源汽车的龙头,比亚迪的电池一直在业界内具有很高的认可度。

  比亚迪动力电池选择

  众所周知,比亚迪动力电池主要研究磷酸铁锂电池和三元锂电池。磷酸铁锂电池在安全性和循环寿命上相对于三元锂电池有绝对优势。磷酸铁锂电池不含任何贵金属,而且生产正极材料的主要原料氧化铁、碳酸锂在中国储量非常丰富。比亚迪已经掌握了磷酸铁锂电池全球最高端的技术和工艺。

  面对市场需求,比亚迪也投入到三元锂电池的研发中,由于三元锂电池含有两种贵金属钴和镍,所以三元锂电池的价格是要远远高于磷酸铁锂电池的,凭借其较高的能量密度,满足目前电动车追求续航的现状,所以三元锂电池很快就占据了电动车的市场。

  凭借比亚迪电池技术的积累,短期内比亚迪就将三元锂电池做到了市场的前列。磷酸铁锂电池主要应用在电动客车等商用车上。比亚迪并不会终止磷酸铁锂电池的研发,因为三元锂电池国内技术与国际上还有差距,而且随着电动车的普及,贵金属的消耗加剧,三元锂电池的成本可能还会增加,磷酸铁锂电池还有很大潜力。

  动力电池的全产业链布局

  比亚迪的动力电池具有完整的全产业链,包括从原材料采集到电芯的设计、模组跟PACK的研发和制造、BMS的制造以及后期电池的梯次利用与回收。

  决定电池包能量密度最大的一个因素就是材料,比亚迪有大量的博士和工程师投入到原材料的开发与研究方面,每年销售额的7%投入到研发中,由于重视产品的研发和高投入,比亚迪在电池方面授权的专利就有1000多项。电池贵金属元素受市场影响,价格波动起伏会较大,比亚迪在动力电池的上游原材料方面有深入布局,例如锂和钴,用于稳定原材料的价格。

  电池包的设计思路

  针对市场上出现的三种电池:软包电池、硬壳方形电池还有圆柱形电池,比亚迪通过分析对比最终选择了硬壳方形电池。主要有三个方面的考虑:

  第一,虽然说软包电池单体的能量密度可以做的比方形高,但是整个电池系统要有热管理模块给电池进行加热和制冷。而软包电池的热管理模块比硬壳方形要复杂,综合分析比较,成组软包电池的能量密度要远远低于硬壳方形电池。

  第二个原因,由于高能量密度材料的应用,软包电池的安全性不可控,因为软包电池是靠两层聚合物粘贴在一起实现密封的;而硬壳方形电池是通过一个金属铝的焊接实现密封的。所以在密封性方面,硬壳方形电池要强于软包电池。

  第三个原因,当出现热失控的时候,软包电池是没有办法实现定向的排气、排烟、排火的。但是硬壳方形电池是可以定向的设计一些特定的排气、排火通道。可以保证即使某个单体失控了,可以通过排火通道释放掉单体的能量,因为单体间有隔热防火材料,所以其他的单体不受影响,整个系统也是安全的。

  如果要满足整车电力需求,圆柱形电池需要的数量会特别的多,满足四五百公里的续航要求就要有6000-10000个电池。由于需求数量太多,所以在热安全方面它要做单体隔离和防护难度远远大于硬壳方形。

  所以一向以安全与技术著称的比亚迪最终选择了硬壳方形电池,给消费者带来电动车的美妙驾驶感受同时,还时刻关注着消费者的安全。

  模组与PACK深耕

  在模组与PACK方面的设计,比亚迪是强调CTM(电芯组成模组后的有效利用值)和CTP(电芯组成PACK后的有效利用值),因为整个电池包系统有很多的功能,但是真正能够对汽车提供续航里程的是它最核心的电芯部分,其他的辅助功能部件可以通过设计优化达到精简的目的。比亚迪现在CTM可以做到94%,成本降低14%,减重减成本效果显著。通过一些高强度的铝合金、镁铝材料、碳纤维的应用,使得CTP可以做到80%,对能量密度的提升有很大的帮助。

  此外电池包采用的是扁平化的模组设计,单层模组设计比多层模组散热性能好,叶轮管和热交换器的布置也相对比较容易。相对于多层模组,单层模组的重心更低,抗震能力会更强,振动时整个模态相对较高。Z方向上的高度较小,不会去压缩车内的乘坐空间,电池的离地间隙也会相对较大,可以保证整车有较好的通过性。

  铝托板的边框用的是高强度铝合金,并且里面有蜂窝结构的应用,如果发生碰撞或者受到挤压的时候,它可以溃散吸收能量,作为缓冲区间,保护内部的电池不受影响。

  重中之重-电池安全

  比亚迪的新能源市场保有量很大,公司如果要持续发展下去做好电动车,安全问题必须被放在首要位置。在比亚迪内部,电池安全是被定义为最高级别的,不允许出现任何安全问题。

  比亚迪从7个维度,4个层次考虑电池的安全,在每个维度跟层级都有对应的防护措施。从四个层次单体、模组到电池包、系统,七个维度可靠连接、高压防护、碰撞、过充、短路和热失控,全方位有效的保护电池安全。

  拿过充防护来讲,比亚迪有多个层级防护:首先是精准探测电池的电压,时时检测电池的状态。第二个层级就是BMS分级保护,充到不同的电压有不同的措施,通过限流措施保护和切断继电器措施保护来控制充电的状态。如果这两级都失效之后,就是第三层保护——CID装置,这是一个纯硬件的保护装置是比亚迪的专利技术,如果当前面的电路防护都失效之后,电池继续过充,电池过充导致电池内部压力增高,CID是在单体上设计一个翻转片,利用高压让反转片翻转来断开电路,因为电池包的电池单体是串联的,只要有一节断开,整个回路就断电了,就会防止电池过充。

  如果连CID装置也失效,还有热失控预警,会提醒乘客汽车电池出现紧急问题,为乘客预留出足够的逃生时间。同时在电池模组的外面布置了隔热材料包括航天用的耐高温防火材料,可以做到即使有单体泄露,电池外部也看不到火;同时还配备有吸热材料,让电池的高温不会立刻传到车内,保证乘客安全。

  对于电池包来说最危险的就是来自于底部的剐蹭了,因为电池包布置在车底的中间位置,前后左右都有来自于车身大梁的保护,下部是没有任何车身保护,而且离地间隙有限,很容易发生底部剐蹭事故,比亚迪应对这种情况在电池包底部做了一个双层防护板,这样做的好处是:一方面保证在发生碰撞时候可以溃缩吸能,即使在下层破裂的情况下还有上层的铝板保护电池的安全;另一方面是同样厚度的铝板如果做成两层中间留有空隙要比同样厚度单层铝板能承受更大的外界作用力。

  电池的安全管家--BMS

  电池管理系统BMS分为四个层级:第一个层级是对电池单体进行管理,对电池的信息采集首先要准确,要有足够的精度和合适的频率;第二个层级是要给整车提供电池所处的状态信息,电池剩余多少电量,可以放出多少的功率,实时预估当前温度下的可用容量;第三个层级是功能安全,包括软件的功能安全和硬件的功能安全;第四个层级是建立有后台的云数据库,在未来会加入AI的算法,更智能的来管理电池。可以根据整车传感器来获取整车所处的状态,例如消费者刚好在山顶充电,通过海拔传感器,汽车就控制充电电压不能充满,如果刚好充满电,下山就启动回馈充电,电池就会过充并损坏电池。

  “技术宅”的侠骨柔情

  对于新能源汽车来说,最重要的部分是动力电池,比亚迪的动力电池无论能量密度还是电池管理都做到了行业的前列,一心主攻技术的比亚迪被业界公认为“技术宅”。对于“技术宅”比亚迪来说,除了要保证充沛动力和操控性能外,更注重的是消费者的用车安全。新能源汽车的功能也是作为代步工具,代步功能实现的前提是安全。比亚迪的设计思路一直都是做消费者放心的产品,从电池单体选型、电池包保护、过充保护等方面能看到比亚迪一直在用心做能保证消费者安全的高性能产品,看到的是用心产品,感受到的是比亚迪的侠骨柔情。

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