通往 1000 公里续航的「捷径」是什么?

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如果说燃油车时代,会为了把加速度提高一秒、甚至零点几秒而执着于发动机技术的话,那在电动车时代,这种执念就是对续航里程的极致追求。

比如,尽管目前量产车普遍提供的 600km 续航已经能满足绝大多数的出行需求,但是 1000km 就像是登山者眼中的喜马拉雅,像一个标杆一样引得各家车企、电池供应商竞相追逐:超低风阻的设计、轻量化的结构、电驱动效率的精进…… 大家绞尽脑汁用各种方式来提升续航,这其中对续航影响最大也最直接的,当然是动力电池。

就当我在感叹动力电池对于电动汽车的重要性时,宁德时代发布了下一代产品——麒麟电池,试图用更强的自己让量产车1000km 续航的目标落地。

6 月 23 日,宁德时代发布了关于 1000km 续航技术「炸弹」——CTP 3.0 技术,代号麒麟电池。在新的技术下,麒麟电池的能量密度将提升到 255Wh/kg,这意味着在相同的化学体系、同等电池包尺寸下,麒麟电池的电量将比 4680 电池提升 13%。

麒麟电池,会是我们走向 1000km 量产车最近的一条路么?

高度集成化的 CTP 3.0技术 

续航 、快充两手抓

在有限的空间内安全可靠地提供更大的电量和补能的便利性,是动力电池不变的目标。在这个目标之下,电池的进化路径就像华山派的剑宗和气宗,一派更注重「内功心法」的修炼,通过电芯内的化学属性来提升性能;另一派则更注重外在形式的优化,借助生产工艺和结构来提高电池性能。

前者就像宁德时代去年发布的钠离子电池,而后者则更像这次发布的麒麟电池所采用的无模组电池包 CTP 3.0 技术。

01

「三合一」的弹性夹层 

提升能量密度

原本动力电池由电芯组成模组,再由模组组成电池包。在这种构成下,模组固然支撑电芯、保证强度和安全,但是占据了大量的空间和重量。原本的电芯-模组-电池包技术下,动力电池中电芯仅占电池包体积的 40%,而剩下的 60%被模组、水冷系统、防护结构等占据,这些模块虽然是动力电池难以或缺的一部分。

因此,如何将模组、水冷系统、防护结构等进行优化,尽可能电池包中电芯的体积占用率,就是成了 CTP 技术不断迭代的目标。

2019 年,宁德时代推出 CTP 1.0 技术,去掉了模组间的侧板,将体积利用率从 40%提升到了 55%;如今发布 CTP 3.0 技术,将体积利用率进一步提升到了 72%。

同样采用了无模组设计的 4680 系统,体积利用率是 63%。当然,麒麟电池与 4680 电池具体在性能表现上的对比,还要等量产落地后才能进一步评价。不过从体积利用率来看,在单位体积下能够填充更多的电芯,麒麟电池比 4680 电池提升 13%的电量似乎也就在情理之中了。

为了在不影响安全和性能的前提下实现 72%的体积占用率,麒麟电池做了大幅度的结构简化,进一步去掉了箱体上的横纵梁,将横纵梁、水冷板、隔热垫三合一,集成为一个多功能弹性夹层。

这个弹性夹层既能在垂直于行车方向上构建受力结构,提高抗振动、冲击能力,也能提供水冷和隔热效果。

原本占据了电池包内大量空间的横纵梁结构被「三合一」优化后,宁德时代还利用 AI 模拟仿真技术对电池全生命周期的应用场景设计边界,将结构防护、高压连接、热失控排气等功能模块智能分布,进一步释放 6%的能量空间。

这样,麒麟电池的体积利用率增加到 72%,动力电池的最大能量密度也提升到了 255Wh/h。

02

毛细血管版的水冷系统

提高快充效率

对于动力电池来说,原本整合了电芯的模组不仅能起到支撑作用,也可以通过模组间的隔板起到散热作用。因此,取消了模组后的无模组电池,无论是麒麟电池、4680 电池还是比亚迪刀片电池,都难以避免一个问题: 缺少了模组的间隔,电芯间的散热如何解决?

原本的动力电池中,通常将水冷板放在电池包的顶部或底部,通过水冷板与电芯上下端的接触起到冷却效果,比如比亚迪刀片电池上层的直冷板设计。不过电芯两端的接触面积终究有限,为了增加电芯的散热面积,把水冷板夹在电芯之间,让面积更大的电芯两侧与水冷板直接接触,就成了无模组电池进化的方向。

比如,特斯拉 4680 电池将水冷板设置在电芯之间,通过圆柱电芯间的空隙和水冷板夹层实现散热效果。

(4680电池中电芯间的水冷板)

类似的,麒麟电池将原本设置在电池模组底部的水冷板改为电芯之间夹层,原本一块直板的水冷板像百叶窗一样分置在每块电芯之间,原本只通过底部冷却的电芯将在两侧双面同时冷却。

在电芯夹层水冷板的作用下,一方面增大了电芯换热面积,将换热面积扩大了4倍,电芯控温时间缩短到了原来的一半;另一方面,水冷板隔绝了相邻电芯间的接触,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,在保障电池包强度的同时提升电芯全生命周期的可靠性。

毛细血管一般的水冷系统对于麒麟电池最大的作用,就是更有利于快充设计。

当电池进行大功率快充时,短时间产生的大量热量不仅降低了充电效率,也给电池安全带来危险。可以说,快充时发热过快和冷却效率低,是影响快充和高压平台发挥的阻力之一。

因此,优秀的散热性是一款电池实现高压快充不可或缺的属性。在电芯夹层的水冷系统下,麒麟电池的换热面积扩大了四倍,可以达到 4C 的充电倍率,实现 5 分钟热启动和 10 分钟快充至 80%。

03

可呼吸的微米桥

提高电池循环寿命

除了能量密度的提升和充电倍率的提高外,麒麟电池在三合一夹层内搭建了可自由伸缩的微米桥连接装置。

动力电池在使用过程中,电芯会随着充放电和老化而产生膨胀,电芯之间的间隙也随着使用而逐渐变小,开始彼此挤压。这种电芯单体的挤压,严重影响了电池的循环寿命。

因此,电芯之间可自由伸缩的微米桥装置,就调整了电芯的间隙。初始时,电芯尚未老化,彼此保留了相对比较大的间距,微米桥膨胀填充电芯间隙,使电池包构成一个紧密的一体化能量单元,提高电池包的抗振、抗冲击能力;当电池使用一段时间后逐渐老化时,电芯开始膨胀,这时微米桥将自动收缩,让电芯间依然紧密却不会挤压到彼此。

麒麟电池是「电动车焦虑」的克星么 ?

作为一位电动车主,看到麒麟电池的发布,除了感叹技术的进步外,最大的好奇就是: 有了麒麟电池,我们的里程焦虑和补能焦虑是不是会被解决了?

两个月前,奔驰在欧洲举行了一场「能效之旅」——VISION EQXX 极致的节能设计和电驱技术,配合合宁德时代提供的动力电池,实现了单次充电行驶 11.5 小时、超过 1000km 的旅程。也许,短期内我们无法在量产车上体验到 VISION EQXX 极致的节能设计,但是更强的电池并不遥远。

根据宁德时代透露,采用了 CTP 3.0 技术的麒麟电池,可将三元电池系统能量密度从目前使用的 200Wh/kg 提升到 255Wh/kg,提升了 27.5%,而磷酸铁锂电池系统能量密度也提升至 160Wh/kg。

当麒麟电池将能量密度增加了 27.5%后,1000km 续航不再只是概念车上让普通用户渴望却难以企及的突破,也不再是实验室中仍然寻求落地的技术,而是即将在 2023 年实现规模化量产的产品,是可能最快让我们在量产车上真切地体验到 1000km 续航的产品。

当然,对于城市通勤、对续航并不敏感的用户来说,充电的速度可能比续航里程更重要,焦急之下能够「充电五分钟通话两小时」带来的快感是多元的续航里程也无法替代的。

因此,市面上的头部电动车品牌们似乎都将纯电高压平台和快充系统作为自己下一代产品和平台的王牌,它们中大部分都将高压平台和快充的产品规划定在了 2023 年,比如理想的纯电车型。

此前,特斯拉超充系统最大功率 250KW,搭载电池能实现 3.1C 充电倍率,这样看来,拥有 4C 充电倍率的麒麟电池应对 800V 高压平台和快充需求似乎更游刃有余,来的也是恰到好处。

最后

每一款车都有自己的侧重点和不同的设计考量,仁者见仁;但提到电动汽车时,几乎没有人会去质疑电池对于一辆电动汽车的重要程度,不论在定义汽车的车企眼中,还是每一个用钱包投票的消费者眼中,动力电池都是无法轻视的硬实力。

正因如此,当麒麟电池发布后,我们看到微博上车企们的频繁互动,对于将在一年后量产的麒麟电池,争抢上车的姿态已经拉开,开上 1000km 量产车的小目标也不远了。

从 2019 年的 CTP 1.0 技术,到如今搭载了 CTP 3.0 技术的麒麟电池,我们看到了电池结构的化繁为简,也看到了动力电池性能的逐步提升,超越自我。

就在我写这篇稿的时候,手机刚好弹出「宁德时代凝聚态电池已在研发中」的消息,在电池行业的技术引领上,宁德时代似乎从未放慢脚步。

本文作者:米其林

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