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解读阿维塔11的电池包技术

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导读:由长安汽车、华为、宁德时代联手打造的阿维塔11,即将开始交付。阿维塔11搭载的正是宁德时代已量产的最先进的电池系统CTP2.0(Cell to Pack,无模组),并且为了适配阿维塔11所需的续航、快充能力,做了精心设计。

既然是投资入股的“亲儿子”,宁德时代自然要将最好的技术都给它。阿维塔11搭载的正是宁德时代已量产的最先进的电池系统CTP2.0(Cell to Pack,无模组),并且为了适配阿维塔11所需的续航、快充能力,做了精心设计。

为保证阿维塔电池包的设计最优,宁德时代在开发阶段就通过大量仿真找出最优的电芯化学体系;并通过材料方面的改性,进一步提升电芯的安全、寿命和快充性能;最终再通过系统层面结构设计加持,进一步提升电池系统的安全和可靠性。

精心设计过的CTP2.0系统,在性能、安全上完全不输于宁德时代尚未量产的麒麟电池。

一、开发阶段:仿真平台锁定最优方案

“宁王”的技术为什么强?

之前,大家普遍认同,宁德时代有人才。有人戏称,中国研究电池的博士,一半在宁德时代。

现在,光说人才还不够,宁王还有数据。

宁德时代作为全球最大的电池生产企业,连续五年位居全球动力电池出货量第一的位置。已经在路上跑的电动汽车,预计每4辆,就有1辆是宁德时代的电池。

而宁德时代又很早建立起了电池数据收集、跟踪的系统,因此积累起海量的动力电池实际应用数据——500多万辆车、280GWh的电池、10000亿条数据。

这些数据的用途之一,就是反哺宁德时代的研发。此前,基于电化学原理、基于实验室,电池企业也能够给出它们认为的电池材料、封装模式和电池包的最好组合方案。

但这一方案在应用中的表现,往往出乎意料。也可能,设计的性能和实际应用的场景对不上。比如,此前研发强调满充满放条件下的循环寿命,但是实际应用数据显示,基本上所有车主都在电池余量的中段使用,因此,应当加强的,是相对浅充浅放的循环寿命。

有了这些实际应用的数据反馈,就能更好判断怎样的组合才是最优方案,也为研发的成功率、为改进的精准性提供了保障。

基于这些数据,宁德时代建立了高通量计算平台。

宁德时代中国区乘用车解决方案部总裁项延火介绍,宁德时代的计算平台,可以将材料基因数据库平台与产品开发和应用进行交叉的融合,并结合生产制造过程中的一些工艺特性,给出最佳的产品设计方案,使产品做到足够快速、准确,以及性能优异。

具体到研发阿维塔11的电池包时,宁德时代不仅调用电池设计、开发、生产的丰富经验,而且应用大数据积累、大算力计算及人工智能技术辅助分析。宁德时代会先利用仿真计算平台进行计算和优化,筛选出最具有潜力的配方和化合物。

仿真计算的结果,再用积累的数据来验证,就极大减少了阿维塔电池系统的出错概率。   可以说在研发方法论层面,阿维塔11电池包就赢在了起跑线上。

二、电芯:材料改性,兼顾安全、寿命和快充

阿维塔11从设计之初,电池系统的目标就是充电10分钟能够增加续航200公里。单一达成这一目标并不难,难的是要在支持快充的情况下,还要做到安全和长寿命,这需要从电芯的材料层面进行优化设计。一般而言,负极管快充;正极管能量。在负极,宁德时代通过在石墨材料表面构造锂离子传输快速通道,提升了石墨负极的充电能力,同时兼顾了高能量密度和良好的寿命。在正极,宁德时代采用纳米铆接点技术,把材料的微观像铆钉一样联结在一起,保证材料的稳定性、高能量密度下的安全性。具体到正极的材料体系,宁德时代通过一系列优化,将典型的中镍配方NCM523的电芯能量密度做到了245Wh/kg,同时本征安全性方面,又比NCM811电池要好。电解液是锂离子在正负极迁徙的通路。这条路要又宽又直,不然就会影响锂离子迁徙的速度——即充放电速度,也可能会导致温升过大,造成安全隐患。宁德时代为阿维塔应用的电芯采用了新型电解液。这种电解液能在电极内部构建高效的三维立体导电网络,相当于锂离子的高速公路,减小电芯的内阻和发热,提升了充放电倍率,使得材料更稳定。

在保障安全的前提下,宁德时代为阿维塔打造出国内首款量产的高电压三元体系2.2C快充电池,比主流的1.2C快充电池,充电速度快接近一倍。常温情况下,充电10分钟续航200公里,低温表现也十分优秀。据项延火介绍,这款电池在低温的环境下,例如北方使用环境零下10℃,也能实现60分钟从零电量到满电量快速补能。从设计层面,宁德时代团队为阿维塔11研发出好的产品。但是,要使这一系列精巧设计落地,需要稳定的量产能力。在品控方面,宁德时代设置了6000多个质量控制点,并将数据实时上传到平台,能够满足20年以上的可追溯性,产品质量值得信赖。宁德时代在电池制造方面,已经跨过了PPM(百万分之一)级缺陷的关口,向PPB(十亿分之一)级的极限制造努力。在电芯层面,阿维塔11所采用的电芯,在能量密度、快充性能和安全性上,做到了没有短板,而且综合能力可以叫板所有对手。

三、系统:NP技术加持,安全再提升

CTP没有模组,电芯做好了它的工作,剩下的工作就要交给电池系统了。阿维塔11这款车型,采用的正是宁德时代CTP2.0电池系统技术,是宁德时代量产的电池包中技术最先进,同时也最成熟稳定的。其中最为突出的一点,是为了保证安全性所做的热管理系统。为了满足2.2C的快充速度,宁德时代对阿维塔电池包的冷却系统进行了特别打造,开发了多流道、智能化的热管理平台,在电池系统运行过程中,整个温度能够控制在温差3度以内。

流道多,散热效率自然就会更高,温升差不多,电池一致性就能保持,电池包的寿命就长;智能化,通过传感器和监测系统,监控电芯的温度,控制水冷系统进行精准降温,保持电芯之间的温度稳定在最合适的水平,有助于排除安全隐患,也有助于延长电池包寿命。

万一还是发生了热失控呢?

阿维塔11的电池包也有针对意外情况发生时的热蔓延控制策略。宁德时代为其采用的是先隔离后疏导的双层保险策略。电芯之间采用航空级的隔热材料,能够耐受近1000度高温,即便是出现单一电芯失效的情况也不会引发周围电芯的连锁反应,极大地提高整体电池包的安全性。同时,通过三维仿真模拟电芯失效时气体扩散路径,在电池包内设计了优化的排气通道,并采用大容量泄压阀设计。在发生意外的情况下,可以将高温气流迅速排出,降低电池包因内部压力增大而产生的爆裂风险。在高温气流排出的过程中,换流通道的设计需要非常巧妙,既要能控制热流按预定轨迹流动,也要控制热流在不同结构通道内分布尽量均匀,以减少对相邻电池的热冲击,避免引发次生的热失控。此外,电池包内的高压连接及高压安全区域也采用了高温绝缘防护设计,确保这些高压部件以及连接区域也能耐受高温考验。

当然,这是电芯发生热失控时,系统采取的应对措施。其实,在此之前,宁德时代就对电池系统进行24小时全天候的监护。如果出现异常情况,可以在30秒以内发出预警信号,并采取智能化的防控保护措施。

在安全方面,宁德时代为阿维塔11的电池包设计做到了事无巨细,万无一失。

四、CTP2.0:最合适的就是最好的

尽管宁德时代推出了麒麟电池的概念,CTP2.0依然是现在以及今后相当长一段时间内车企的最优选择。先来回顾下宁德时代历代CTP技术到底都变了啥?2019年,宁德时代提出了CTP1.0技术。相比传统的从电芯到模组再到系统的方案,最大变化就是去掉了模组的侧板,模组端板还保留。经过结构简化,这一技术可以将车辆续驶里程推到500km+。

2021年,宁德时代再次推出了CTP2.0技术。相比CTP1.0结构,又去掉了模组的两个端板,利用箱体上的纵横梁来代替端板,续航里程可以做到700km+。典型代表就是阿维塔11,在双电机四驱系统的情况下,90度电和116度电的车型续航分别达到了555公里和680公里,据说未来还有700+公里续航的车型会推出。再加上电芯采用的是523中镍配方,采用底部水冷的方案,电池安全性已经在实践中得到充分验证。

到了2022年,宁德时代推出了麒麟电池的概念,在CTP2.0技术的基础上,进一步进行结构优化,搭载高镍三元电芯,理论上纯电车型续航可以提升到1000公里。但凡事皆有两面,更长的续航里程,需要搭载更多的电量,如果不提升充电效率,充电时间就会变得更长。正因为如此,麒麟电池采用了4C的充电技术来解决充电时间的问题,但随之而来的是为了解决散热问题,对冷却系统进行大幅改进,将换热面积提升4倍。

问题是,电动车需要1000公里的续航吗?

一方面,数据统计显示,在北京、上海这样的大城市,日常通勤里程在日均70公里以内,500公里以上的续航足以应对一周的出行需求,里程焦虑问题已经得到极大缓解。手机电池的演化可以用来参考。在功能机时代,诺基亚可以轻松做到一次充电使用一周,但现在的智能手机,每天充电也能被大家接受。同理,也可以预测,随着用户心理焦虑得到极大缓解,电动车单拼续航的军备竞赛时代即将结束,取而代之的是在智能化水平上的比拼。

另一方面,成本因素也是车厂做决策的关键。即便是选装麒麟电池的车型,恐怕也不会把续航简单粗暴堆至1000公里。毕竟,更高的续航,意味着更高的成本,对应市场的潜力也会变小。

任何汽车产品的开发,都会经历数年的研发和投产时间,电池只是其中的一个零部件,即将在年底交付的阿维塔11选择CTP2.0的技术毫无疑问是最明智的:技术领先,品质成熟可靠,投产节奏完全匹配。最新的不见得是最好的,只有经过市场考验之后最合适的才是最好的。当麒麟电池从概念走入量产,品质和技术得到市场充分验证之后,阿维塔毫无疑问也会量产装车麒麟电池。毕竟宁德时代是阿维塔的股东之一,要把最好的电池用在阿维塔上也是曾毓群的亲自表态。

来源:电动汽车观察家 作者:王凌方

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