华霆动力马俊峰:大圆柱电芯有哪些成组技术及挑战?

NE时代新能源

阅读 1470    更新于2023-11-20 09:20:19

在NE时代、凌傲咨询联合举办2023xEV电池技术论坛暨2023新能源光储充融合产业大会”上,华霆动力常务副总裁马峰以《大圆柱电芯成组技术及挑战》为主题进行了分享。

演讲嘉宾:华霆动力常务副总裁马俊峰

该报告主要聚焦圆柱电芯成组特点、技术以及目前面临的一些挑战。

圆柱电芯成组特点

根据部分券商预测,2026年圆柱电池市占率可达10%,约75GWh左右。所以目前 圆柱电芯是在下一轮爆发前夜,处于爬坡阶段。

圆柱电芯生产效率比较高,技术成熟,很容易做到100PPM以上,这是方形和软包电池很难达到的生产效率,所以生产成本低。 圆柱电芯成组也有缺点,成组部件比较复杂,目前国内专门做动力电池的圆柱成组厂商不多,不超过10家。

圆柱电芯的成组技术

做圆柱Pack需要考虑的因素与方形、软包有相同之处,比较重要的是在 安全与热管理上,这也是做圆柱电芯最主要考虑的两个方面。

我们在 做PACK产品时,第一选择是电芯型号和性能。 首要做的就是研究电芯热失控之前、热失控之后的状态,根据这些状态做PACK结构设计。 结合之前做的各种模拟、仿真,做产品安全设计。样品完成之后再做相关试验验证, 安全与热管理方面的工作会占到Pack设计40%-50%的工作量。

热失控验证中,我们希望电芯发生热失控是有方向性的。 华霆动力研究各种电芯之后,归结出来17种电芯失效方式,并据此给出相应解决方案,这样在单体电芯发生热失控时能得到有效管控,不发生热蔓延的情况。

在过去的几年中我们一共做了上万次实验和测试,在这么多次试验中,可以看到三元模组、整包试验次数是按百和千级的,电芯是万级体量的试验验证。目的是什么?就是当单颗电芯发生热失控时,整包和周围的电芯不出现问题。

机械防护,作为质量流的一部分,和结构支撑、结构刚度相关。结构件同时又是安全件,要负责导热、排气,还有很多其它方面的职能。

电气连接,一方面是有效电连接和电气防护,另一方面也是安全部件 ,当电芯发生热失控时,能有效阻断二次短路,避免二次灾害及触发二次热失控。

这个系统监控和BMS是有区别的,BMS行使的是正常监控管理职能。华霆动力做的三元圆柱高比能电池包内有类似24小时巡检技术,即使车辆处于停驶状态,监控系统也会定期进行巡检,一旦发现有问题会及时通知整车,启动热管理系统,以最大的制冷量给电池包降温。

我们提到的“三流”,即质量流、电流、热流 ,处理好三者的关系决定着Pack的安全性和热管理有效性。

一般做圆柱电芯的PACK,通常会有上下夹板做结构支撑,结构件上做一些电气连接。 通常有各个单体电芯间的熔断、安全检测,一旦某颗电芯发生热失控,马上能检测到。更重要的是在有限的空间内,设计好排气、散热通道,喷发物质出来后,防止二次短路发生,这些都是在做Pack设计过程中需要重点考虑的。 我们曾经做过一个定量研究,一颗21700的NCA&NCM811混合电池,引爆之后会喷出11-13L气体,单位克产生大约27千焦热量,1克TNT炸药产生的热量大概只有5千焦左右。我们现在的高镍三元电池材料,一旦发生热失控,产生的热量约是TNT的5倍,有效化解这些热量在Pack设计上需要做很多工作。

一般圆柱电芯的成组部件相较于方形来说会比较多,我们推出的 MUST(多功能集成大模组)方案,将模组结构件、热管理件、安全检测件等集成为多功能组件,创新设计使产品成本显著降低,集成度高。 将众多功能结合成一个部件,即可实现结构支撑功能,也可以实现安全功能,还可以实现电气连接和热管理功能。目前应用该技术生产的Pack,在市场上已有60多万个(包括方形电芯Pack),通过这项技术可以使圆柱电芯成组的成本与方形电芯成组相差不多。

圆柱电芯成组的挑战

为什么行业内不愿意做圆柱?因为圆柱电芯成组复杂,费用高、成组的结构刚度比不上方形。现在这些问题都有方案解决,但是一些新的问题也随之而来。

一是电芯尺寸越来越大, 圆柱电芯50Ah的越来越多,4695、46125、46135规格的圆柱电池接近50Ah, 能量密度也越来越高 ,单体能量密度基本都能达到300Wh/kg左右; 单从热失控角度来看,圆柱电池每秒升温速率远高于方形,单位时间内喷出的量远高于方形;空间利用率上的要求越来越高,内部排气、散热空间越来越小,平衡质量流、热流、电流难度越来越大。

二是快充及热管理问题上 ,众多企业往4C快充提升这也意味着电池在单位时间内产生的热量和需要散出的热量将成倍增加。业界提出大面冷却方案是有效的,其实圆柱电芯成组一直都是侧面的大面冷却方案。华霆动力也在研究4C圆柱电池包,但目前市场上真正做到4C的圆柱电芯还比较少。 快充意味着温升速率要求越来越高,温差要求也越来越小。在有限空间内,温场不同温点的均匀度要求也高,体积利用率越来越高的情况下如何做热管理平衡和均热,是一个非常大的挑战。

三是侧碰强度上,电池包逐渐开始充当整车结构件的角色。 方形电池包本身结构强度比圆柱强, 如何提升圆柱电芯成组的刚度,也是未来一个比较大的挑战。 叠加上现在的电池包可利用的空间越来越小,所以比较难实现刚度的有效提升。

四是成组的可维护性 目前的CTx方案有较多的应用, 都是以胶粘方案为主, 后续拆卸的难度很大 。未来,考虑到CTx方案对可拆卸性的需求,新材料、新技术的开发比较迫切。

最后,马俊峰提到,目前华霆与国内外30家主机厂、十多家电芯厂建立了合作关系。此外,华霆动力在中国、美国和印度设有多个生产基地。

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