轻装上阵,安全吗? 你不知道的“无模组电池”

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说到底是为电池减重


  说到过去12个月里,有关动力电池减重的大新闻,那自然是宁德时代、蜂巢能源等中国电池供应商不约而同地在法兰克福车展现场发布“Cell ToPack”无模组电池(CTP)技术这件事。
  这事简单来讲就是有一部分供应商认为,动力电池可以跳过模组,直接由电芯和封装构成,而不必再遵循“Cell电芯-Module模组-Pack封装”的传统组成模式,并已造出展示样品。
  而这被CTP技术舍弃的模组可不是那种通过串并联简单连接起来的Batteries电池组。在现役动力电池里头,模组是保障电芯工作安全的重要部件,不仅拥有可以支撑、固定、保护电芯的结构,更会配备管理电芯温度和电气性能的监控系统。
  可严密保护的代价,便是难以消除的重量。不像可以使用轻量化材料的封装,以及通过提高单体能量密度来减少装车数量的电芯,必须坚固、安全的模组框架基本上没有赘肉可减。不仅如此,制造结构复杂的模组还会消耗不少生产资源。
  但也正因为模组关系到整个动力电池单元的安全,因此,整车制造商和电池供应商通常不敢直接砍掉模组,而只能在外围动手。比如让单个模组管理更多的电芯或电池组,从而减少模组的数量;又或者去除模组的防护硬件,而转由封装包乃至车体结构来为动力电池单元提供被动安全防护。可即便如此,也依然无法彻底消除模组带来的重量。
  所以,这次几个动力电池供应商狠下心,为纯电动乘用车完整地去掉动力电池的模组,改将电芯与封装直接整合在一起,并把这技术叫做“Cell ToPack”。对此,业界在惊叹的同时,也冒出诸多疑问,而其中的核心就只有一点:如何保证电池的安全?

CTP的好与坏


  从披露出来的资料看,CTP技术并不是简单地把模组去掉,而是将其化整为零:一方面,用更轻便的材料为电芯打造保护壳,构成电芯“模块”,从而取代模组的防护硬件;另一方面,则将原来集成在模组内的BMS电池管理系统等安全监控系统移植到封装包上。与此同时,电池供应商还为应用CTP技术的动力电池单元重新设计散热结构,甚至还有加装散热风扇的设计。
  因此,在理论上,应用CTP技术的动力电池会跟使用模组的动力电池一样安全,只是由于内部结构的简化,其重量会更轻。此外,受益于内部空间利用率的提升,应用CTP技术的电池能够较以往容纳更多的电芯,从而得以提升整体的能量密度。更重要的是,由于车间不再需要组装模组,所以不仅成本会降低,生产效率也会因此提高。
  由此可见,要实现CTP技术,不仅要求电芯有很好的一致性,还需要进一步精简BMS电池管理系统等电芯外围的辅助功能部件,并增添适用于无模组封装技术的绝缘、隔热材料……
  可惜,外界对于CTP技术的认知也就到此为止,因为哪怕是率先为量产车供应CTP动力电池的宁德时代都没有公开CTP技术的全部细节。比如,电芯究竟是如何与封装包相连接的?今后在二次应用或维修时,到底是抛弃整个动力电池单元还是可以独立替换单个电芯“模块”?诸如此类的问题仍有许多。只是,几位CTP技术的先行者似乎并未意识到,恰是这些细节决定着CTP技术的未来。
  道理很简单,CTP技术能否在市场上得到普及,首先得看其他电池供应商是否会跟进,接着要看有多少整车制造商会使用该技术,最后则看消费者是否愿意为其买单。而这些问题的答案藏在诸多细节之中。

摆在面前的重重困难


  对于厂商而言,CTP技术的推行者要用事实或者第三方的检测报告证明:去掉模组后,集成有BMS电池管理系统等附件的封装包确如他们所介绍的那样靠谱。而对于消费者,CTP技术则要证明白己足够安全且不会贵得离谱。


01.寧德时代已实现CTP电池的量产化。


02.率先搭载宁德时代CTP电池的新款北汽EU5电动车。

  另外,尽管CTP技术本身确实可以降低成本并提高生产效率,但Cell To Pack技术与现行的CellTo Module技术分别代表着两种截然不同的生产模式,从CTM生产线切换到CTP生产线必然要花费不少成本,而这些牵涉到利润的细节,同样会影响到厂商的决策。可到目前为止,从宁德时代等几个先行者的简略介绍中,并不能找到令人满意的答案。相反,传统的CTM技术现在不但占据着市场主流的地位,更有比亚迪等一线厂商继续优化该技术,逐步增加封装内电芯的容量,从而提高电池的能量密度——而使用CTP技术为电池减重的初始目的,本就是为提高电池的能量密度。


01.剖开的Module模组以及内部拥挤布置的Cell电芯。


02.包含多个模组的Pack封装包。


03.完整的动力电池封装包括诸多辅助功能附件。


04.在一个模组内加入更多的电芯,组成“大模组”,可以适当地减少模组的数量并为动力电池减轻一定的重量。

垄断的攻与破


  如此局面,显然不利于CTP技术取代CTM技术成为动力电池封装技术的主流。不过,要是CTP技术当真能成为业界主流,那肯定会颠覆现有的新能源汽车行业。首先,由于电芯直接与封装相整合,而该技术的专利目前主要集中在电池供应商手里,这意味着,整车制造商不能再像现在这样自行封装电池,而只能使用电池供应商封装好的成品,如此一来,整车制造商的采购成本就会增加,而且造车的自由度也大受限制。同理,其他不掌握CTP技术的第三方供应商很可能就此取消电池生产业务甚至结业。

名家CTP方案


  1.宁德时代
  首先要说明的是,宁德时代在法兰克福发布的是个“productplatform”——产品平台。这意味着将来它还会基于CTP技术推出不同的动力电池产品。不过,宁德时代并未透露其CTP技术的细节,只是宣称,该技术能将电池的质量能量密度提高10~15%,体积利用率提高15~20%,并把电池内部安装的零件数量减少40%。
  宁德时代估计,用上CTP技术后,整个动力电池单元的能量密度可从现行的180Wh/kg增加到200Wh/kg以上,而到2024年,这个数值将提升到350Wh/kg。顺便一提,新款北汽EU5已经用上宁德时代打造的CTP动力电池。



  2.蜂巢能源
  有些意外的是,在一些资料的披露里,蜂巢能源拿到法兰克福车展的已经是第二代CTP产品。而据蜂巢能源介绍,相比传统的模组电池,第一代CTP电池减少24%的零部件,第二代则将成组效率提升5~10%,空间利用率提升5%,零部件数量再减少22%。值得一提的是,按照相关资料的说法,蜂巢能源的第二代CTP产品的价格可以比采用模组封装的同等规格电池便宜0.21元Mh。不僅如此,蜂巢能源还表示在应用多重防护之后,CTP电池能比传统模组电池更安全。



  其次,现行的GB/T34013-2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》跟GB/T31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》都是基于有模组的动力电池制定的,要是无模组电池成为主流的话,那这两项国家标准必定会修改,然后,就会在新能源汽车行业内引起一系列连锁反应。
  接着,在动力电池回收与再利用领域也会发生相应的变动,倒是消费者的选择不会有太大的改变,因为他们根本没得选……但这一切变革发生的前提是,CTP技术真正成为市场的主流,可在新能源汽车市场,变数实在太多,根本难以确定CTP技术会有一个怎样的未来。
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