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電池PACK技術現狀及未來發展趨勢 復材云集|復合材料

放大字體  縮小字體 發布日期:2023-06-01 14:01:36    瀏覽次數:425    評論:0
導讀

【關鍵信息】體積利用率:商用車可達到90%,麒麟電池和比亞迪CTB在60-80%,麒麟電池在乘用車方面是72%。PACK能量密度:三元電池2

【關鍵信息】

體積利用率:

商用車可達到90%,麒麟電池和比亞迪CTB在60-80%,麒麟電池在乘用車方面是72%。

 

PACK能量密度:

三元電池255,比亞迪CTB 200,三元最多280,鐵鋰最多200。

 

C to C的問題:

(1)工藝裝配問題;

(2)對電池的零部件的要求高,成本高;

(3)C to C維修的便利性和成本;

(4)商業模式、設計模式的挑戰。

 

4680:

無模組設計方案,減少降低材料成本40%左右。成組效率,減少20-30%的成本。

圓柱形相對于方形而言,成本相對低一些,工藝比較成熟,產品一致性比較高。它的缺點是成組后散熱設計難度大,能量密度相對低一些。

 

比亞迪e3.0:

比亞迪e3.0技術采用直冷直熱的方式,熱效率提高20%。

 

AB電池(兩種材料揚長避短):

電壓窗口:鈉離子的電壓窗口是2.8~3.5,磷酸鐵鋰是2.0~3.8,三元的窗口是2.5~4.2。

壽命方面,磷酸鐵鋰循環壽命是8000圈,鈉離子是2000圈鈉離子低溫性能好,磷酸鐵鋰高溫性能好。

 

熱管理:

目前來說對于電池包的一個熱管理,實際分為風冷、液冷、直冷,冷媒冷卻、熱泵。大家走的比較多是熱泵和液冷的方案,后期還有冷煤、直冷這塊,這是將來的一個發展趨勢。

 

在直冷方面,我感覺在乘用車上應該會推下去的。但是直冷目前來說還有一個技術難點,就是他在35度電以下的小電池包上,應用效果是非常好的,但如果要是在100多度的電以上的電池包上去完全采用這種直冷方式,對熱管理這塊是有缺陷的。

 

[Q&A]
Q
C to P技術的應用?

A: 目前在商用車或乘用車領域,都有C to P、C to C技術的應用,即電芯直接到pack或者是電芯到車。目前C to P可以分成商用和乘用兩個方面,目前商用車C to P的應用比較多,而且它的集成效率要比乘用車大得多。商用車和乘用車在結構上的一個不同,導致它的體積利用率可以達到90%。但是目前無論是麒麟電池,還是比亞迪的CTB結構,體積利用率實際上就是在60%~80%區間之內,體積利用率是跟結構有關的。像麒麟電池,在乘用車上的CTP技術,它的體積利用率也就是72%。

 

 Q
三元電池能量密度?

A: 三元電池的一個pack,就是用CTP的技術,一個pack的集成,它的能量密度也就是255。實際上它能達到這樣的一個能量密度,還跟其他的技術也有關。它從排氣這塊進行了一個空間的節省,同時它還有一個彈夾式的反面冷卻的技術,所以它是綜合了好多結構,把電芯直接到pack,來提升自己的一個體積利用率。

 

 Q
比亞迪CTB能量密度、與麒麟相比?

A: 比亞迪的CTB技術不完全是C to P的技術,電芯到車身的體積利用率僅僅是66%,能量密度才達到了200,這是它跟CATL麒麟電池的一個劣勢。在水冷熱管理這一塊,它實際上是采用了一個上層制冷水板的設計方案。比亞迪為什么能量密度和體積利用率比麒麟電池小?實際上它是從安全方面保留了一些電池包內的衡量的結構。材料體系沒有多大的區別的,三元最多280,鐵鋰最多做到200。主要還是從結構上來提升體積利用率,從而提升能量密度。

 

 Q
比亞迪安全方面與麒麟相比?

A:從安全方面來說,比亞迪的pack從結構、從震動甚至沖擊載荷這塊,從一些電池認證的實驗結果來看,比麒麟電池要好一些,但是為什么大家沒有去說這個事兒?中國標準和認證,只要你過了認證標準和相關項目,我就認為你過了。所以二者有這樣的一個區別,比亞迪為什么保留衡量或者是它的安全性更好,因為他是一個車企,它能夠把電池包pack的一些結構應用到車上,車身骨架可以做的弱一些,可以用電池pack來承擔一些它的模態,實際上這是比亞迪所考慮的。

 

 Q
寧德時代與比亞迪區別?

A:寧德時代單純的它只是一個電池廠,它沒有比亞迪這樣的一個先天的優勢,能夠把車結合起來,這就是二者的一個區別,也是二者在設計理念上的一個不同。

 

 Q
目前C to P企業各自優缺點?

A:目前C to P這一塊,主要電池廠實際上已經很多了,有寧德、比亞迪、蜂巢、遠景動力、捷威動力的,都在做C to P的。

 

在乘用車方面,其實他們都有各自的一些優缺點。像蜂巢的C to P這一塊,單從成本來說,它要優于寧德時代。

 

遠景之前走的是軟包的一個技術路線,但是它現在也在往方殼和圓柱的路線過渡,但是目前來說它的成本要略微的要貴一些,原因是它的量還沒有上來。

 

 Q
蜂巢比寧德便宜的原因?

A:巢供某一些企業的話,它要比寧德要便宜一些。主要原因是,一是它要挑戰市場。二是它在工藝上要比寧德這塊要簡單一些。

 

 Q
蜂巢和寧德工藝層面對比??

A:工藝層面,在商用車C to P領域,寧德對每個小電芯進行膠粘。蜂巢走的是大模組膠粘,所以它從工藝這一塊能省一部分成本,而且從后期維修這一塊,蜂巢也要能省一些成本。C to P實際上并不完全的是電芯到pack,實際上也可以歸為一個大模組到pack。寧德小電芯到pack,無非就是為了省空間,但是蜂巢它是屬于大模組,犧牲了一點空間,但是它成本和工藝這塊是相對有一些優勢的。

 Q
企業戰略對比?

A:從企業的一個戰略來說,因為寧德畢竟現在做的是很大。億緯鋰能、遠景它們打成本戰。

 

蜂巢,既有無模組方案,也有大模組方案,這就是它一個降本的手段。

 

捷威動力采用積木式的電池,是在大軟包模組的一個概念,通過不同電池的一個厚度、長度、寬度,這樣的一個尺寸比例來提高體積利用率,這樣它也形成了這種C to P的一個技術。

 

遠景,目前也在做C to P,有軟包的方案,也有方形的,也有圓柱形的,但是它起步的比較晚,所以它的產品應該會滯后。目前來說軟包有量產的,方殼的現在在樣件階段。

 

 Q
C to C現狀?

A:像C to C是一個比較難的技術,維修方法和維修成本的問題。因為它是完全跟車去結合的。如何把電芯布在不同底盤上,它也是采用一種電芯膠粘上車的工藝。將來維修方法也是問題。

 

 Q
特斯拉一體壓鑄技術?

A:一體壓鑄目前國內來說技術不是很成熟。廢品率、合格率有一定的考驗。因為之前我們做了一個一體壓鑄的電池pack下箱體,它的廢品率是相當高的。成本目前在pack廠。C to C方案,一定是要電池廠跟整車廠聯合來做,這是前提條件。

 

 Q
C to C技術難點?

A:(1)工藝裝配問題。因為對于傳統的車來說,現在基本上都是傳統車和新能源共線的一個生產模式。那么C to C 這種技術一旦上來,那么我這種裝配工藝怎么走?目前這樣的一個量能不能支撐下去?實際上這也是主機廠甚至電池廠要面臨的一個問題。

   (2)對電池的零部件的要求高,成本高。因為電池本身pack是有密封要求的,基本上是IP68或者IP69的防塵防水要求,那么到車上怎么去密封?因為車一裝起來,整個車身的框架焊接或是鉚接都有一些工藝的變形,要如何控制?因為一旦有一些變形,就會對密封造成一定的困難。所以說對電池零部件要求要很高。要求高了,其實成本也就高了。零部件的采購成本,制造成本都會高。

   (3)C to C維修的便利性和成本。如果是C to P就是電芯到pack,可以把pack拿下來,進行維修。但C to C不方便維修,而且即使是在舉升架上,你把電池打開了,下箱機打開了,你怎么去維修?這都是將來這一種結構所面臨的一些困難,所以有可能最后我們要更換很多,就單個進行更換會非常的難,有可能會走那種大模組到車。

   (4)商業模式、設計模式的挑戰。需要主機廠和電池廠聯合起來做C to C的方案。在車型開發最前期,甚至在車型產品策劃前期,電池廠就要介入車型的設計。需要主機廠將自己的車型規劃和核心技術,釋放給電池廠。現在電芯的規格也不一定能完全滿足主機廠電池空間布置、性能等方面的需求,但這又存在一個問題,因為目前電芯的設計是完全掌握在電池廠的。那么電池廠能不能把電芯的技術釋放給主機廠,這也將來是商業運營模式的一個突破點,這是從C to P過渡到C to C這樣的一些思考。

 

 Q
4680圓柱形方形對比?

A:4860采用圓柱形,國內如寧德主打方形。對比如下:

 

從安全性來看,方形和圓柱形安全性是一樣的,基本上都是相對好一些的。從電池一致性這一塊來說,圓柱形要比方形的好,因為它工藝相對比較成熟。從設計的靈活性來說,實際上方形要好,要比圓柱的好。循環壽命方面,方形的要比圓柱的好一些,充放電費率也好。成組效率方面,即體積利用率,二者是基本相當的。

 

 Q
方形優缺點?

A:方殼的優點主要是它的封裝比較好,可靠性比較高,安全性好一些,它的能量效率高,能量密度也比較高,結構相對簡單,擴容也相對方便一些,這是它的優點。缺點方面,它型號比較多,由于國內在方形這塊沒有一個完全的標準,所以它型號比較多,工藝比較難統一,各家自己做自己的。第二就是生產自動化水平不高,這就導致了單體的差異性,一致性不是很好,存在系統壽命低于單體壽命的問題。

 

 Q
圓柱形優缺點?

A:圓柱形相對于方形而言,它成本相對低一些,工藝比較成熟,產品一致性比較高。它的缺點是成組后散熱設計難度大,能量密度相對低一些。

 

 Q
4680的技術進步?

A:實際上4680出來之后,因為它走的是一個大圓柱形的,它的安時也都能做上來,它能量密度相對能提上來一些,而且4680這塊,大圓柱電池對熱管理的要求要降低了,能夠克服圓柱的一些缺點。這就是為什么大家選擇了4680這樣的一個技術方案。

 

 Q
為什么大家都走方形?

A:從我個人角度來說,我其實比較傾向于4680的圓柱技術。因為方殼,我個人推測是因為catl大家都走方殼了,catl這么大的一個量,不可能讓它再去重新改變自己的生產工藝,重新建線,去生產圓柱,所以國內也就都走方形的技術路線。

 Q
特斯拉走4680的原因?

A:它肯定是從布置或是從結構、維修、密封等方面,有自己的技術優勢的。因為4680從制造端,是能夠節省產品成本的。像電池設計,就電池C to C,電池設計這塊,它實際上是采用了無模組的設計方案,能減少結構的復雜性和零部件的一個數量,就能降低材料成本40%左右。成組效率方面,相對來說,也基本上能減少20%~30%的成本。它唯一的缺點還是維修,這是它的一個弊端。

 

4680不僅僅是C to C的技術路線,它還有干法電極、高鎳、高硅等綜合的結構,最后能夠造就一個長續航、快充和低成本的方案。

 Q
4680散熱問題?

A:其實它在結構上也有很大的一個改進。原先是蛇形底部的一個散熱,現在是蛇形加三面的一個設計,可以圍繞著圓柱進行一個散熱,這對安全和對電芯的一致性都是有幫助的。另一方面,大家比較關注的是4680安不安全?目前來看,它從結構、熱管理方面來說,它是安全的,因為它的散熱面積增大了很多。

 Q
比亞迪3.0技術?

A:從整車來看,它主要是采用了一個刀片、電池車身一體化設計,就是C to P 的一個設計方案,同時它采用了多合一的動力集成化的控制單元,有四驅和八百伏快充的架構。在高效方面,它現在說的是突破1000公里,實際上我們感覺是有一些水分的,因為它的1000公里肯定是最優的行駛工況。如果把它放在東北,或是放在寒冷的環境下,這個里程是會打折的,而且它的1000公里肯定是勻速的,勻速60公里的工況。目前我們是這樣的一個推測。我們比較關注的是它的800伏的快充這塊,我感覺是這還是走在了一個前列。它為啥能做到這樣,跟它的熱管理,電池pack的熱管理有很大的關系,它采用了一個直冷直熱的技術,把熱效率大約提升了20%。這樣就是間接地在省電了,能夠降低能耗的損耗。這是它電池方面的技術。在智能化上他也有一些,因為智能化不是咱們今天關注的一個重點,就不細講了,智能化其他的主機廠也都在做。這是對比亞迪3.0平臺的優勢比較。我們比較關注的就是它電驅升壓的快充技術,和它極冷極熱的一個技術。

 

 Q
BMS的應用?

A:BMS這塊,目前大家還是采用菊花鏈的分布式應用方式,為什么采取這種方式呢?還是從成本方面來考慮。但是現在無論是商用車和乘用車都在走外部CAN和內部CAN通信的技術方案,這樣能使得BMS的交互更準確一些,所以走CAN通信的技術方案。在無線BMS方面,我們是沒有做這樣的技術的。目前因為這個技術還不是相對成熟,會帶來誤傳信息、信號干擾等負面問題。沒有做過深研究如何推向市場。

 Q
AB電池是什么?將來面對的問題?

A:從材料體系來說,磷酸鐵鋰、三元鈉離子等電池,甚至石墨烯電池,在壽命、能量密度、電壓窗口等等,都有各自的優缺點。AB電池其實就是磷酸鐵鋰和三元結合,或是鈉離子跟磷酸鐵鋰去結合,各自發揮各自的一個優缺點,然后揚長避短,這是它的設計理念。大家所關心的就是,你怎么去控制?我們對AB電池將要采取的技術路線,也做了一個分析。我們舉了三個例子,就是鈉離子磷酸鐵鋰和三元這三種材料去做AB的一個配方,鈉離子的電壓窗口是2.8~3.5V,磷酸鐵鋰是2.0~3.8V,三元的窗口是2.5~4.2V。他們的電壓窗口都不一樣,SOC算法怎么把電壓窗口去識別或是歸納進來?像壽命方面,像磷酸鐵鋰循環壽命它是8000圈,鈉離子是2000圈,我用磷酸鐵鋰的長壽命去抵消鈉離子的短壽命,那隨著電池的老化,它的老化規律又是啥樣的?實際上這一塊在行業上還沒有摸清,尤其二者摻在一起,老化之后,電壓平臺是什么樣的?壽命曲線是什么樣的?實際上這也是將來ab電池是所要面臨的一些問題,這是寧德時代推出來的,但是我個人感覺他還有很多問題沒有解決。單一材料還有一些技術問題沒有攻克,兩個不一樣體系的材料揉在一起,BMS是怎么去管?怎么能確保AB電池的壽命關系和老化問題,因為壽命是跟老化有很大關系的,跟安時容量也有很大關系,兩種不同材料,它的安時容量曲線和壽命曲線都不一樣,BMS該怎么去做?這肯定是一個難點。

 

 Q
如果有了電芯的SOH的壽命模型的話,BMS是否能實現對兩種體系電池的一個管理呢?

A:理論上是可以的,但是這是對于pack來說。但是pack上車之后怎么來應用?我舉個例子,就是說功率。因為在極寒的情況下,鈉離子的低溫性能比較好,磷酸鐵鋰比較差,把這兩個材料體系揉在一起,它就是為了解決低溫的一個問題。因為鈉離子的低溫性好,磷酸鐵鋰低溫性不好,那么我就要用鈉離子去解決低溫的問題。那么你是把低溫問題解決了,說在零下20度SOC可以達到90%。

 

從整車需求來看,比如在20℃和零下20℃的功率需求都需要400干瓦的功率,需要多布置鈉離子電芯來滿足400千瓦,剩下鐵鋰就是擺設了,增加了整車成本。所以車上整車管理要多用電池才能滿足不同溫度下功率需求。其他還有快充的融合,快充鈉離子是比較好的,磷酸鐵鋰是一般的。鈉電和鐵鋰混用還有電池均衡的問題。

 Q
4680在國內的話,還有特斯拉的進度?

A:這塊我了解一些,因為4680在國內,像遠景、catl他們也都在做,也都在做擴展,國外肯定是特斯拉在用。實際上國外商用車Scania也在用4680。

 

 Q
之前有說特斯拉的焊接有問題,你有沒有了解情況,他有沒有解決這個問題?

A:焊接問題,之前確實是說它的成品率不高,但是后來他通過改變焊接工藝,把這個問題好像解決了不少。但是具體工藝怎么解決的,沒有過多了解。

 

 Q
4680的未來格局?會改變方形格局嗎?

A: 4680有自己的一個優勢,但是從國內來說,因為現在還是CATL獨大,CATL最初走的就是方殼路線,已經鋪了很多,再布局卷繞的4680圓柱工藝,是商業運營模式的問題了。從技術來說,個人比較推崇4680,但4680它不一定行。4680是比方殼要小很多,但是它到車上不一定比方殼要少。從電量來看,因為4680它是圓柱形的,車上邊角可以排布,但是大方殼,到車上有可能有一個小的地方,根本就布不下一個電芯。所以你從整車布局這塊,4680更具有一些便捷性,甚至它的電量會更高一些。這是從整車角度來分析。但是4680實在管理這一塊,BMS管理這塊,因為它畢竟電芯多了,像BMS管10個方殼和管100個圓柱,它的成本或者它的算法或者精確度都是不一樣的。特斯拉是走的神經網絡,跟國內不一樣的,國內的SOC主要走的是安時積分算法。所以如果4680能走下去的話,因為還有46120等等,首先它得把BMS管理即算法和一致性方面要做好。

 

 Q
BMS應該由是車廠來解決這個問題嗎?

A: BMS現在國內有兩種形式。第一種模式,是電池pack和BMS打包供過來,如寧德時代。第二種模式,是主機廠自己做BMS,自己打包。第二種在乘用車上基本上是主流。第一種,在商用車上應用的比較多,因為BMS畢竟還是一個核心的東西,因為它跟整車的技術協議和通信是掛鉤的。所以主機廠不想把核心信息釋放給電池廠。但目前來看,實際上主機廠缺的是對電芯的一些技術掌握。有一些電性能、壽命怎么結合車去做,BMS管理等電芯數據主機廠是拿不到的,在電池廠手里,所以這一塊也是主機廠做BMS受限的一個點,但是主機廠還不想把BMS拿出去。但是這兩種方式其實都有弊端的。BMS的一些基本性能主機廠拿不到,車的一些應用工況,電池廠,就是BMS拿不到。所以這一塊從產品開發來說是有弊端的,這就是一種商業模式導致的。如果將來主機廠去做電芯,我感覺這個問題會解決。

 

 Q
未來熱管理的發展方向?

A: 熱管理對于電池來說還是很主要的。目前來說對于電池包的一個熱管理,實際分為風冷、液冷、直冷,冷媒冷卻、熱泵。目前來說大家走的比較多是熱泵和液冷的方案,后期還有冷煤、直冷這塊,這是將來的一個發展趨勢。

 

 Q
冷煤直冷的技術弊端?

A: 在冷媒方面,它采用的是22134a這樣的一個冷媒介質,它冷媒的低溫性能是不好的,就是在零下15度,它的熱效率下降是比較明顯的。解決方法實際上也就是用PTC、液冷進行輔助來解決。

 

在直冷方面,我感覺在乘用車上應該會推下去的。但是直冷目前來說還有一個技術難點,就是他在35度電以下的小電池包上,應用效果是非常好的,但如果要是在100多度的電以上的電池包上去完全采用這種直冷方式,對熱管理這塊是有缺陷的。同時成本問題,現在用的相對少一些,零部件采購成本要高一些,將來如果大面積的普及下去,這個成本應該也會降下來。

 
(文/小編)
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