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這種電芯設(shè)計(jì)會(huì)帶來什么行業(yè)變化？

2021-12-23 21:59:16·  來源：知化汽車  
　
除了4680和刀片電池，未來能看到的對(duì)行業(yè)產(chǎn)生重大影響的應(yīng)該是大眾的標(biāo)準(zhǔn)電芯，或是寧德時(shí)代也在開發(fā)的、類似的方形電芯方案。1、現(xiàn)狀從行業(yè)中的交流來看，他們
除了4680和刀片電池，未來能看到的對(duì)行業(yè)產(chǎn)生重大影響的應(yīng)該是大眾的標(biāo)準(zhǔn)電芯，或是寧德時(shí)代也在開發(fā)的、類似的方形電芯方案。
1、現(xiàn)狀
從行業(yè)中的交流來看，他們似乎在重點(diǎn)研究電芯防爆閥的布置方案。眾所周知，電芯防爆設(shè)計(jì)對(duì)于整車熱失控的防護(hù)是非常關(guān)鍵的，當(dāng)前主流的電芯防護(hù)閥布置是：
（1）圓柱18650、2170電芯防爆閥位于正極端；
（2）方形電芯（輸出極在同一端），防爆閥位于輸出極這一端，垂直向上；
（3）方形電芯（輸出級(jí)分布在兩端）如刀片，防爆閥位于一端，水平布置；
（4）軟包電芯，沒有明確的泄爆方向，這也是軟包電芯熱失控比較難做的一個(gè)主要原因所在；
電芯有防爆閥的存在，能夠?qū)崿F(xiàn)熱失控的定向排放，這樣就可以在特定的方向上進(jìn)行熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在的動(dòng)向是這樣的：電芯防爆閥為什么一定在布置在頂部（即向上）？因?yàn)槿绻遣贾迷谙蛏系捻敳?，在電芯成組和集成時(shí)，熱失控向上噴發(fā)，正好是對(duì)著乘員艙進(jìn)行噴發(fā)，這是很危險(xiǎn)的行為，所以現(xiàn)在的絕大多數(shù)產(chǎn)品方案，需要在電芯（模組）與上蓋之間建立起足夠的防護(hù)墻。
也因此，特斯拉Model 3在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將電芯倒立布置在整個(gè)箱體上方，這樣在發(fā)生熱失控時(shí)，電芯會(huì)向下進(jìn)行噴發(fā)，從而遠(yuǎn)離乘員艙。
2、轉(zhuǎn)變
所以，現(xiàn)在意識(shí)到了這個(gè)問題，在之前，由于電芯沒有應(yīng)用到電動(dòng)汽車上，泄爆的方向性帶來的影響還不明顯，布置在輸出極一端成為了一種慣性設(shè)計(jì)思路延續(xù)了下來，而改變泄爆閥位置所帶來的難度也讓很多人早早地打消了念頭。用寧德時(shí)代專利的話來說，就是：
“當(dāng)要解決這個(gè)問題時(shí)，很多研究人員容易想到的是將電池單體與駕駛艙之間的多個(gè)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理，來防止這種問題的發(fā)生。也就是說，由于上述各種問題或者其他各種問題的存在而造成的技術(shù)偏見，本領(lǐng)域技術(shù)人員并不會(huì)容易想到將泄壓機(jī)構(gòu)設(shè)置在電池單體的其他位置來解決這個(gè)問題。這也是因?yàn)檫@樣的更改設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)太大并且困難太多，這種風(fēng)險(xiǎn)和困難阻礙研究人員來將泄壓機(jī)構(gòu)設(shè)置在電池單體的其他位置?！?/span>
現(xiàn)在因?yàn)闊崾Э胤雷o(hù)的緊迫性，也是到了電芯設(shè)計(jì)集成到了結(jié)構(gòu)方向上來，才讓人們有更多的精力和心思關(guān)注到這些細(xì)節(jié)層面來。
一種可行的方案是將防爆閥布置在電芯底部，這樣規(guī)避了電芯熱失控對(duì)乘員艙的直接沖擊，與此同進(jìn)，在下箱體結(jié)構(gòu)上做相應(yīng)的疏導(dǎo)設(shè)計(jì)，讓泄放出來的氣體、熔融物等沿著下箱體的疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)排放到車輛外，這成為一個(gè)更為理想的方案。
那么，如果是基于這種電芯的設(shè)計(jì)，會(huì)帶來哪些變化？首先，整包上層空間（即模組/電芯到上蓋）的防護(hù)壓要小很多，針對(duì)這個(gè)空間的加強(qiáng)設(shè)計(jì)可以減少，一些目前在用的熱失控組合方案可以進(jìn)一步簡化，以降低成本；
其次，下箱體，由單一的結(jié)構(gòu)件將上升為功能復(fù)合件，技術(shù)和設(shè)計(jì)上要有一定的要求，下箱體要實(shí)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)承載作用+結(jié)構(gòu)防護(hù)作用+集成冷板+泄爆疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)。下箱體的形態(tài)將是一種多層設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上要有足夠的強(qiáng)度剛度來保證電芯在箱體內(nèi)的牢固固定，同時(shí)防護(hù)來自底部的機(jī)械沖擊；在熱和絕緣上，要能夠抗住電芯噴發(fā)時(shí)的超高溫、熱沖擊，要滿足與電芯、冷板接觸中的電安全（主要是絕緣），同時(shí)還要保證在某個(gè)電芯噴發(fā)時(shí)，不會(huì)通過疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響到相鄰的電芯。
最后，由于電芯底部開口（泄爆閥），那么冷板相應(yīng)需要相應(yīng)的有開口設(shè)計(jì)，或是采用對(duì)電芯大面進(jìn)行冷卻，這使得冷板的設(shè)計(jì)、冷板的固定、冷板與下箱體的集成有了很大的技術(shù)難度。
3、先行者
盡管還不太確定，但了解的是不少企業(yè)已經(jīng)在走這一步了。
（1）4680
我沒有看到實(shí)際特斯拉的4680電芯，不過針對(duì)它的CTC方案，有多位行業(yè)人士向我溝通到他們認(rèn)為4680的防爆設(shè)計(jì)應(yīng)該是朝下的，我也覺得這是個(gè)更為合理的方案，否則特斯拉在上蓋的熱防護(hù)壓力太大了。這也是特斯拉在電芯設(shè)計(jì)方向上一個(gè)好的迭代方式。

（2）寧德時(shí)代與VW標(biāo)準(zhǔn)電芯
VW沒有第一時(shí)間選擇寧德時(shí)代作為它標(biāo)準(zhǔn)電芯開發(fā)的首個(gè)合作伙伴，有點(diǎn)出乎我的意料，在我看來，VW+CATL是主導(dǎo)國內(nèi)第三次電芯和集成技術(shù)變革的核心力量?，F(xiàn)在兩家在獨(dú)立開發(fā)相關(guān)的電芯方案，包括防爆閥在底部、在（水平）側(cè)立面等。
在2021年，寧德時(shí)代披露的專利中，有兩個(gè)技術(shù)系列專利是由其總裁曾總作為第一人公開的，這兩個(gè)系列專利是：（1）鈉離子電池技術(shù)與應(yīng)用；（2）底部防護(hù)閥電池技術(shù)與應(yīng)用。這個(gè)就像王傳福所主導(dǎo)的刀片電池系列專利一樣。

曾總作為第一人的核心專利可參考：
  • CN213782158U
  • CN213583979U
  • CN213026310U
  • CN213026308U
  • CN213026307U
小結(jié)：
這種電芯設(shè)計(jì)把熱失控防護(hù)的壓力進(jìn)一步分擔(dān)到電芯上，提高電芯的技術(shù)門檻，基于此種方案的整包集成設(shè)計(jì)，在熱失控防護(hù)上能做得更充分，對(duì)于高鎳電芯來說是更好的選擇。與此同時(shí)，電芯的改變也必將帶來整包層面設(shè)計(jì)的調(diào)整，進(jìn)而影響到上游產(chǎn)業(yè)格局。
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