麒麟电池与热无蔓延技术方案分析
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更新时间: 2024/09/15

一、宁德时代集成技术-CTP

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CTP,即Cell To Pack,改变了原有的电芯-模组-电池包结构,电芯直接集成到电池包。该技术将一个大的模块通过若干个散热片分割成小空间,这些散热片可以像电脑硬盘一样插入小空间。每个电池的侧面还贴有一个导热硅胶垫片,并且在电池宽度方向的散热板上有一个冷却通道,可以直接与外部冷却管路连接,可减少大约40%来自模块之间连接线束、侧板、底板等的部件。

CTP技术包括两个思路:一是大模组化,二是无模组化,宁德时代CTP属于大模组化技术,其核心逻辑是提高单体电芯的容量,同时将多个电芯堆叠组成更大的电池模组,大大减少模组数量,减少零部件数量,从而实现能量密度提升和成本降低的目标。CTP技术除了采用大电芯组成大模组外,通常还会对模组之间的连接结构进行优化,减少零部件和简化装配工艺过程。虽然CTP电池包具有适用性强、空间利用率高、成本低、散热性能好等优势,但由于木桶效应,电池包整体性能将取决于组成电池包最差电芯的性能,因此,CTP结构对电芯一致性提出了更高的要求,如果出现电池故障需要更换,维修的便利性和成本都会更高。


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下表为宁德时代CTP技术发展历程:

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宁德时代通过高集成结构设计,提升电池包体积利用率。2019年,宁德时代推出第一代无模组电池包CTP,体积利用率达55%。2022年推出CTP3.0(麒麟电池),体积利用率达72%,高于4680电池的63%,集成度为全球新高。


二、新一代CTP电池组-麒麟电池

图片麒麟电池能量密度提升主要通过三大技术革新实现。散热方面,宁德时代首创电芯大面冷却技术,基于电芯的变化,将水冷功能置于电芯之间,使换热面积扩大四倍。电芯控温时间缩短至原来的一半,支持5分钟快速热启动及10 分钟快充。在极端情况时,电芯可急速降温,有效阻隔电芯间的异常热量传导。


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麒麟电池将横纵梁、水冷板与隔热垫合三为一,集成为多功能弹性夹层。在夹层内搭建微米桥连接装置,灵活配合电芯呼吸进行自由伸缩,提升电芯全生命周期可靠性。而电芯与多功能弹性夹层组成的一体化能量单元,在垂直于行车方向上构建更稳固的受力结构,提高了电池包抗振动、冲击能力。宁德时代独创底部空间共享方案,将结构防护、高压连接、热失控排气等功能模块进行智能分布,释放了6%的能量空间,并满足底部枪击等国标电池安全测试要求。随着麒麟电池逐步落地装车,将带动铝热传输材料、水冷板等热管理材料用量增长,以及电池热管理系统升级。麒麟电池可将三元电池系统能量密度提升至255Wh/kg,磷酸铁锂电池系统能量密度提升至160Wh/kg;首创电芯大面冷却技术,支持5 分钟快速热启动及10 分钟快充,可实现整车1000 公里续航。目前搭载麒麟电池装车的车型已有多款,其中比较有代表性车型包括极氪汽车旗下的极氪001和高端MPV车型极氪009(正极材料高镍和负极材料掺硅),以及哪吒汽车哪吒S等。其中,极氪009ME版装载的麒麟电池容量为140kWh,CLTC综合工况续航里程为822km;极氪001WE版的麒麟电池容量为140kWh,CLTC综合工况续航里程1032km,哪吒S的麒麟电池容量为117kWh,CLTC综合工况续航里程1075km。


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三、热无蔓延技术方案分析

图片影响热失控防护效果的因素众多,可划分为材料级,电芯级,模组级以及系统级。材料热稳定性是基础,但在当前阶段,材料级尚未出现可量产的技术突破,企业主要依靠系统防护实现不自燃的目标。


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材料热稳定性是热失控防护的基础,铁锂材料的热稳定性明显优于三元材料。比亚迪展示的针刺实验在公众眼中成为了安全标准。如刀片电池采用热稳定性高的磷酸铁锂材料,根据磷酸铁锂材料的热重-质谱分析曲线,可以看出磷酸铁锂在温度400℃以上出现显著的放热峰,表现出良好的热稳定性。对比之下,经典比例三元材料的热重曲线中,NCM811 的放热峰出现在230℃左右,NCM111 的放热峰出现在306℃左右,三元材料的热稳定性明显劣于铁锂材料。


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以加强隔热,加快散热为主要技术手段,不同封装方式对电池热失控防护有重大影响。圆柱电池的单体释放能量最低。热失控释放的能量与电芯材料、单体电芯能量、电芯封装方式等息息相关。在假设电池材料热稳定相同的情况下,简单将单体释放能量等同于单颗电芯的能量。特斯拉的21700 圆柱电芯能量为0.01776kWh,是方形电芯的1.7%,软包电芯的4.1%。单位散热能力与电芯与水冷板的直接接触面积成正相关。在特斯拉蛇形水管+导热胶的设计中。每个电芯侧面至少有1/6 的面积直接接触水冷管(考虑到电芯间隙中填满了导热胶,实际散热面积应大于1/6)。每度电的水冷散热面积约为0.043m2,是方形电芯的2.7 倍,软包电芯的2.5 倍。同时考虑到软包电池接触水冷板的侧面并非平整的,实际冷却效果应低于方形电池。


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周边电芯隔热能力与电芯间的直接接触面积以及传热系数相关,直接接触面积越小,传热系数越小,则隔热能力越强。每个圆柱电芯周边有6 个电芯,但是电芯之间并没有直接接触,具体分析,与2 个电芯隔着水冷板,与2 个电芯隔着隔热棉,与同排2 个电芯无直接接触,电芯间的直接传热面积是0m2。而软包与方形电芯,都是通过大面与周围电芯直接接触,大面之间都需要增加相应的隔热材料,来增加隔热能力。方形电池的每度电需要隔热面积为0.0314m2,软包电池每度电需要隔热面积为0.0976m2。大量灌注水是目前唯一能够熄灭锂电池火焰的方法,目前很多主机厂采用的热失控防护方案就是利用电池冷却液进行灭火。设计方案主要是在电池泄压阀上方新增一套水冷系统,在电池发生热失控时,高温气体从泄压阀处喷出,融化电芯上方的铝板后,铝板内的冷却液由于重力向泄压阀处灌注,实现灭火冷却,安全性能得到大幅度提升。缺点是该系统占据一部分空间,降低体积利用率及能量密度。目前已经有包括宁德时代、上汽智己等多家企业在研究,已完成初步的可行性评估。在合适的实验条件下,在单颗电芯热失控后,冷却液可以顺利注入电芯壳体中,没有明火蔓延至电池包外。


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目前已经有部分厂商尝试将软包电池的水冷板由电池底部更改为电池顶部,这有助于改善热失控,但由于软包电芯定向泄压难度大,且铝塑膜结构强度低,没有容纳冷却液的容器,实际效果仍然待验证。另外取消底部水冷板,也会弱化电池底部的安全防护。


注:文章中引用数据和图片来源网络