引領(lǐng)全球動(dòng)力電池重回正道---BYD刀鋒電池

關(guān)鍵詞：BYD刀鋒電池，技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)全球，國(guó)貨精品

引言：比亞迪2020年3月發(fā)布的電池產(chǎn)品：刀片電池（The blade battery）是比亞迪于2020年3月29日發(fā)布的電池產(chǎn)品。該電池采用磷酸鐵鋰技術(shù)，將首先搭載于“漢”車(chē)型。2020年3月29日，比亞迪正式發(fā)布刀片電池，該電池采用磷酸鐵鋰技術(shù)，將首先搭載于“漢”車(chē)型。2022年11月，比亞迪刀片電池巴士在新加坡第四屆LTA-UITP新加坡國(guó)際交通大會(huì)暨展覽會(huì)亮相。

“刀片電池”通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，在成組時(shí)可以跳過(guò)“模組”，大幅提高了體積利用率，最終達(dá)成在同樣的空間內(nèi)裝入更多電芯的設(shè)計(jì)目標(biāo)。相較傳統(tǒng)電池包，“刀片電池”的體積利用率提升了50%以上，也就是說(shuō)續(xù)航里程可提升50%以上，達(dá)到了高能量密度三元鋰電池的同等水平。

比亞迪將展示的刀片電池，通過(guò)了電池安全測(cè)試領(lǐng)域的“珠穆朗瑪峰”針刺測(cè)試，成功挑戰(zhàn)了極端強(qiáng)度測(cè)試─46噸重卡碾壓測(cè)試，具備超級(jí)安全、超級(jí)強(qiáng)度、超級(jí)續(xù)航、超級(jí)壽命的特點(diǎn)。超級(jí)安全：針對(duì)電池使用七重安全維度測(cè)試，涵蓋內(nèi)部短路、外部短路、過(guò)充、碰撞、高壓、連接以及危險(xiǎn)氣體；超級(jí)強(qiáng)度：電池包具備擠壓不起火、不爆炸特性，并通過(guò)了模擬碰撞，抗壓強(qiáng)度等測(cè)試；超級(jí)續(xù)航：續(xù)航里程輕松突破600km，超級(jí)壽命：滿足充放電3000次以上，滿足車(chē)輛行駛?cè)芷谛枨蟆?/span>

BYD刀片電池的測(cè)試及特點(diǎn)

一

針刺測(cè)試

針刺試驗(yàn)?zāi)M的是電池受到外力破壞時(shí)的情況，例如電池組被碰撞、擠壓、穿刺。針刺試驗(yàn)主要模擬的還是鋰電池內(nèi)部隔膜破裂時(shí)的內(nèi)部短路情況。鋰電池在充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌并100%嵌入負(fù)極；但是在非理想情況下（如過(guò)充、低溫、大電流等），從正極脫嵌的鋰離子會(huì)在負(fù)極出現(xiàn)嵌入異常的情況，鋰離子就只能析出在負(fù)極表面，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“析鋰”。

“析鋰”發(fā)生時(shí)，鋰離子在負(fù)極表面可能會(huì)還原成不同形態(tài)的金屬鋰，其中樹(shù)枝形狀的金屬鋰被稱(chēng)為“鋰枝晶”，它會(huì)隨著析鋰現(xiàn)象而不斷“生長(zhǎng)”，這一過(guò)程基本不可逆，最終有可能會(huì)穿破正負(fù)極間的隔膜，從而導(dǎo)致電芯的內(nèi)部短路，并最終引發(fā)熱失控。需要通過(guò)針刺試驗(yàn)來(lái)模擬電芯內(nèi)部隔膜被穿破的情況，以驗(yàn)證電芯本身的安全性。?

二

安全性能

刀片電池所采用的材料本身就更安全。NCM三元材料在溫度不足200℃時(shí)就會(huì)開(kāi)始分解并放出大量熱；而磷酸鐵鋰材料要在溫度接近500℃時(shí)才會(huì)開(kāi)始分解，且在分解過(guò)程中不釋放氧氣，放熱速率也遠(yuǎn)低于NCM三元材料，不易發(fā)生熱失控更不容易起火燃燒。

刀片電池的結(jié)構(gòu)也更安全。

相比方方正正的方殼電池，又長(zhǎng)又薄的刀片電池?fù)碛懈蟮谋砻娣e，在發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)，熱量會(huì)被快速散發(fā)掉，讓聚集的熱量達(dá)不到磷酸鐵鋰材料的分解啟動(dòng)溫度，從而保證了電芯不會(huì)輕易發(fā)生熱失控。

鋰電池的生產(chǎn)主要分為極片制造、裝配、注液等幾個(gè)步驟。根據(jù)比亞迪的介紹，刀片電池的生產(chǎn)難點(diǎn)主要在于極片制造。

“長(zhǎng)”是刀片電池各種核心優(yōu)勢(shì)的根本，而長(zhǎng)達(dá)960mm的刀片電池，其內(nèi)部的極片自然也要達(dá)到這個(gè)級(jí)別。市面上主流的電池產(chǎn)品極片大多處于500mm以下的級(jí)別。

好針對(duì)刀片電池的需求，開(kāi)發(fā)出了超寬幅的極片生產(chǎn)設(shè)備，弗迪電池工廠的涂布設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)1300mm寬度的極片雙面涂布，單位面積的涂敷重量小于1%，寬度尺寸偏差小于0.5mm，速度為每分鐘70米。

在輥壓工序，弗迪工廠的輥壓設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)1200mm寬度的極片輥壓，可以將極片厚度差控制在2微米以?xún)?nèi)，速度為每分鐘120米。

生產(chǎn)長(zhǎng)度960mm的刀片電池，關(guān)鍵就在于其寬幅極片生產(chǎn)工藝。極片并不是生產(chǎn)刀片電池的唯一難點(diǎn)。刀片電池采用了疊片工藝，相較卷繞工藝實(shí)現(xiàn)了更高的能量密度，但如此長(zhǎng)的極片，要保證分切地一致、堆疊時(shí)對(duì)齊，才能保證生產(chǎn)出的電池?fù)碛辛己玫囊恢滦?。通過(guò)完全獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)的設(shè)備和裁切方案，弗迪電池工廠的疊片在960mm寬度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了每分鐘200片的疊片速度和小于0.3mm的對(duì)齊公差控制。按照官方說(shuō)法，這一速度達(dá)到了世界領(lǐng)先的水平。

三

刀片電池CTP技術(shù)

刀片電池實(shí)際上也是一種CTP（Cell To Pack，無(wú)模組）方案，屬于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新而非材料創(chuàng)新。CTP技術(shù)大幅減少了電池組中的電池模組，將十?dāng)?shù)個(gè)小的模組變成了兩個(gè)或四個(gè)大的模組，從而省去了大量的零部件、連接線和殼體，在相同體積的電池組中容納了更多電芯，提高了電池組整體的能量密度。

比亞迪的刀片電池組由于其電芯本身足夠長(zhǎng)，通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)和組裝工藝，實(shí)現(xiàn)更徹底的無(wú)模組化。

其他廠商的CTP技術(shù)，依然是基于現(xiàn)有的電芯對(duì)布局重新設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致電池組的尺寸控制依然會(huì)被電芯的規(guī)格所限制。而比亞迪的刀片電池由于形狀規(guī)整、排列簡(jiǎn)單，電池組的尺寸可以直接實(shí)現(xiàn)電芯級(jí)的調(diào)整。

刀片電池也是一種磷酸鐵鋰電池，比亞迪針對(duì)刀片電池組進(jìn)行了多項(xiàng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，以保證其低溫性能。

刀片電池組中全部采用了液冷式熱管理系統(tǒng)，在電芯的上下部分采用了大面積的保溫材料，以保證熱管理系統(tǒng)可以良好運(yùn)作。在極片材料上，采用了納米化的磷酸鐵鋰通過(guò)減小材料粒徑縮短鋰離子的遷移路徑，改善了電池組的低溫功率性能。

刀片電池組在零下20度的環(huán)境下，依然可以保持常溫90%的放電能力。

刀片電池組實(shí)際上也是一種CTP方案，它的電池組內(nèi)部直接就是一個(gè)個(gè)的電芯，并非直接放置在電池組中的，而是被各種連接件安裝、并通過(guò)特殊膠水固定的。

這種用來(lái)固定電芯的膠水可以牢牢地將電芯固定在電池組中，同時(shí)起到一定的導(dǎo)熱、阻燃和緩沖效果，但相應(yīng)地，電芯被黏在一起之后就很難再拆開(kāi)。如果電池組中的單個(gè)電芯出現(xiàn)故障，就要直接更換整個(gè)電池組。而傳統(tǒng)的模組化電池組，就可以通過(guò)更換單個(gè)模組來(lái)維修，這無(wú)疑大大增加了采用刀片電池車(chē)型的電池故障維修成本。

刀片電池并沒(méi)有大家想象中的那么神秘，它本質(zhì)上依舊是磷酸鐵鋰電池。但在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了大量的創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的安全性。刀片電池，關(guān)鍵就在于比亞迪的先進(jìn)工藝，包括寬幅極片的制造、高速高精度的疊片工藝等等，這些是比亞迪的核心技術(shù)，磷酸鐵鋰材料不能滿足人們的續(xù)航需求時(shí)，刀片電池生產(chǎn)工藝或許也會(huì)被用來(lái)生產(chǎn)三元鋰電也說(shuō)不定。

BYD刀片電池拆解

在網(wǎng)上整理和瀏覽資料的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)一個(gè)刀片電池系統(tǒng)的拆解，是對(duì)一些比較有趣的部分整理。當(dāng)然，我個(gè)人最感興趣的部分是電子電氣部分，今天先分享這部分的內(nèi)容，后續(xù)會(huì)就結(jié)構(gòu)和冷卻部分再逐一分解，隨后有機(jī)會(huì)整理一些專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)刀片電池的測(cè)試分析，做一些摘錄。下圖左邊是比亞迪做的50kwh+低電量的電池系統(tǒng)，右邊是70+kwh的上下疊層雙排電池系統(tǒng)。有一個(gè)共同的特征，就是比亞迪的電池需要一根比較長(zhǎng)的母排接回來(lái)。

圖1 比亞迪的梯度一個(gè)是改變長(zhǎng)度，一個(gè)是疊兩層

在結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)中，從電氣角度中間需要連接整塊電池的兩端，所以我們能看到兩根很寬的正極和負(fù)極的母排連接一體化電池的帶電兩端到BDU配電盒，如下圖所示。

圖2 刀片電池系統(tǒng)的配電盒

備注：據(jù)參考的拆解信息說(shuō)，這根母排的材質(zhì)為鋁。

而這個(gè)BDU配電盒，是有點(diǎn)像我們通常見(jiàn)到的PHEV的接口設(shè)計(jì)，盡可能復(fù)用中間排氣管道的凸出的設(shè)計(jì)。刀片電池在整車(chē)上是兼容BEV、PHEV兩種不同的設(shè)計(jì)，所以目前看下來(lái)都是這樣統(tǒng)一地堆在電池系統(tǒng)上方的設(shè)計(jì)。

圖3 刀片電池的配電盒輸出

如下圖所示，母排通過(guò)螺栓和刀片電池的模組輸出極進(jìn)行連接。

圖4 高壓母排和模組的連接是用兩個(gè)螺栓

為了固定這個(gè)BDU，在水冷板上設(shè)置了四個(gè)固定點(diǎn)，然后為了進(jìn)行電隔離，工程師采用了一塊四四方方的絕緣墊，來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)絕緣。

圖5 BDU配電盒下面的絕緣墊和水冷板上的四個(gè)支撐點(diǎn)

電池管理系統(tǒng)是集成在這個(gè)配電盒里面，需要注意的是，這里BMU取消了獨(dú)立的外殼，BMU嵌入在BDU里面，然后擰上了一塊蓋板。

圖6 接下來(lái)是這個(gè)重點(diǎn)的BDU

不知道為啥，現(xiàn)在比亞迪的電路板特別喜歡局部做這種。

圖7 比亞迪的電池管理系統(tǒng)

在電池管理系統(tǒng)里面，配了兩個(gè)主接觸器，回路里面有一個(gè)比亞迪自制的Shunt電流傳感器，還有一根400A的熔絲。

圖8 BDU的下層