100kWh電池包設計過程分析

最近朋友圈看到很多高電量電池包的新聞報道，電池包的電量可以達到100kWh，甚至150kWh。之所以大家對此非常關注，主要是目前新能源汽車電池包的電量大多在100kWh以下。那麼大家必然有個疑問，為什麼之前沒有100kWh電池包，現在卻在電池電量上有突飛猛進的效果，本文主要從電芯設計角度，以ES8的箱體模組排布， 分析以下如何在外包絡不變的情況下，達到100kWh設計的，不足之處，還請批評指正。

透過網上公開的資訊，我們可以看到ES8的電池包，由32個 VDA 355模組組成，成組4P96S，整包電量 1C 為70kWh，電芯的化學體系為Ni50，容量為51Ah，單體電壓範圍為2。8-4。2V，距離100kWh的目標還有30kWh。

圖1 Base設計方案

那麼就需要分析一下，如何在外包絡尺寸空間不變的情況下，把這30kWh的Gap提升上去。大致可以分為以下幾個方向：

一，355模組不變，最佳化電芯設計

電芯設計最佳化方向有：正極高電壓，正極高鎳，負極摻矽和電芯高度提升。高電壓和高鎳的目的都是為了提升正極材料的克容量，讓電芯在有限的空間內，能夠提供更多的活性鋰；加矽的目的在於提升負極的嵌鋰能力，用更少的負極材料來嵌入更多的鋰離子，留出更多的空間給到正極；殼體加高就是提升模組高度空間上的利用率，透過增加JR的高度來提升電芯的體積能量密度。

下表是在原有355排布不變得情況下，採用上述四種電芯設計最佳化方向，估算的系統的設計方案。分析結果可知，在純石墨體系下，5系高電壓+殼子加高方向和8系+殼子加高方向，整包的電量由71。9kWh提升到了85。8kWh，提升幅度為19。3%；在石墨摻矽體系下，整包電量由71。9kWh提升到了90。1kWh，提升幅度為25。2%。

圖2 基於355模組的電量提升方案

總結下來結論就是，外包絡尺寸和355模組排布不變的情況下，採用目前的較為先進液態鋰離子電池設計，電量最高能做到90kWh，距離100kWh的目標仍有10kWh的Gap。那麼下一步我們要思考的是提升模組的成組效率，分析模組做大後，在現有電芯設計提升方案的基礎上，能否達到100kWh的目標。

二，590模組升級方案

355模組升級為590模組，在原有整包空間不變的情況下，排佈下來，可以放置12個模組，電芯採用8系+矽的體系，分析方案和排布示意圖如下，估算下來，整包的電量在91kWh，同100kWh的目標仍有9kWh的Gap。

圖3 基於590模組的佈置圖

透過以上的分析，我們可以發現採用目前兩種主流的355和590模組設計，在方形電芯上進行升級，達到100kWh的目標仍然有一定的困難。

三，無模組方案

思路就是在590模組排布基礎上，取消模組外包絡設計，電芯的排布方式可以分矮胖型和長條型兩種，一個單元整體用卡箍和軋帶固定，並輔以結構膠粘接固定，將之前由模組結構件佔據的空間也佈置成電芯，這樣就提高的空間利用率，同時由於沒有模組的束縛，電芯的高度方向可以適當加高，這樣進一步提升體積能量密度。

1-

矮胖型佈置方案

基於590電芯的基礎上，將電芯高度加高，體系仍然為8系+石墨摻矽，在原有箱體內大致進行了排布，結構示意圖如下，此時的成組為1P108S，整包的電量為103kWh，已經達到了100kWh的目標，此時系統的平臺電壓達到了390V，需要與電機電壓平臺和電壓範圍匹配一下。

圖4 基於矮胖型電芯的佈置圖

2-長條形佈置方案

這裡電芯的尺寸是基於590模組做的一個估算，容量是基於8系+矽做的預估，佈置的方案如下圖，整體算下來電量也可以達到100kWh的目標，只是此時電壓平臺過高，整車高壓這塊需要改動較大。

圖5 基於長條型電芯的佈置圖

透過這一些列的分，我們發現在現有的空間不變情況下，透過升級化學體系，改變電芯尺寸，最佳化排布，可以達到100kWh的設計目標。

這裡需要說明的是以上的分析，是單從電量提升的角度去考慮推測的，在實際高電量整包開發過程中，要考慮很多的因素，如電芯8系安全問題，產氣問題，加矽後的膨脹問題，無模組結構強度問題，使用膠粘維修不方便等，正是這些各種各樣得因素，會讓我們在高電量電池包設計得時候，不得不進行反覆的考量和驗證。但從電池技術進化和整車的角度來考慮的話，高電量電池包是未來電池發展的一個趨勢，提升電池包的體積能量密度，可以從根本上解決使用者的里程焦慮問題，讓新能源汽車能夠與燃油車的同臺競爭，也是極大的利好。

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