100kWh电池包设计过程分析

100kWh电池包设计过程分析

最近朋友圈看到很多高电量电池包的新闻报道，电池包的电量可以达到100kWh，甚至150kWh。之所以大家对此非常关注，主要是目前新能源汽车电池包的电量大多在100kWh以下。那么大家必然有个疑问，为什么之前没有100kWh电池包，现在却在电池电量上有突飞猛进的效果，本文主要从电芯设计角度，以ES8的箱体模组排布为例（只算放模组部分）， 分析一下如何在外包络不变的情况下，达到100kWh设计的，不足之处，还请批评指正。

     通过网上公开的信息，我们可以看到ES8的电池包，由32个 VDA 355模组组成，成组4P96S，整包电量 1C 为70kWh，电芯的化学体系为Ni50，容量为51Ah，单体电压范围为2.8-4.2V，距离100kWh的目标还有30kWh。

图1 Base设计方案

那么就需要分析一下，如何在外包络尺寸空间不变的情况下，把这30kWh的Gap提升上去。大致可以分为以下几个方向：

一，355模组不变，优化电芯设计

    电芯设计优化方向有：正极高电压，正极高镍，负极掺硅和电芯高度提升。高电压和高镍的目的都是为了提升正极材料的克容量，让电芯在有限的空间内，能够提供更多的活性锂；加硅的目的在于提升负极的嵌锂能力，用更少的负极材料来嵌入更多的锂离子，留出更多的空间给到正极；壳体加高就是提升模组高度空间上的利用率，通过增加JR的高度来提升电芯的体积能量密度。

    下表是在原有355排布不变的情况下，采用上述四种电芯设计优化方向，估算的系统的设计方案。分析结果可知，在纯石墨体系下，5系高电压+壳子加高方向和8系+壳子加高方向，整包的电量由71.9kWh提升到了85.8kWh，提升幅度为19.3%；在石墨掺硅体系下，整包电量由71.9kWh提升到了90.1kWh，提升幅度为25.2%。

图2 基于355模组的电量提升方案

     总结下来结论就是，外包络尺寸和355模组排布不变的情况下，采用目前的较为先进液态锂离子电池设计，电量最高能做到90kWh，距离100kWh的目标仍有10kWh的Gap。那么下一步我们要思考的是提升模组的成组效率，分析模组做大后，在现有电芯设计提升方案的基础上，能否达到100kWh的目标。

二，590模组升级方案

     355模组升级为590模组，在原有整包空间不变的情况下，排布下来，可以放置12个模组，电芯采用8系+硅的体系，分析方案和排布示意图如下，估算下来，整包的电量在91kWh，同100kWh的目标仍有9kWh的Gap。

图3 基于590模组的布置图

通过以上的分析，我们可以发现采用目前两种主流的355和590模组设计，在方形电芯上进行升级，达到100kWh的目标仍然有一定的困难。

三，无模组方案

思路就是在590模组排布基础上，取消模组外包络设计，电芯的排布方式可以分矮胖型和长条型两种，一个单元整体用卡箍和轧带固定，并辅以结构胶粘接固定，将之前由模组结构件占据的空间也布置成电芯，这样就提高的空间利用率，同时由于没有模组的束缚，电芯的高度方向可以适当加高，这样进一步提升体积能量密度。

  1-矮胖型布置方案

 基于590电芯的基础上，将电芯高度加高，体系仍然为8系+石墨掺硅，在原有箱体内大致进行了排布，结构示意图如下，此时的成组为1P108S，整包的电量为103kWh，已经达到了100kWh的目标，此时系统的平台电压达到了390V，需要与电机电压平台和电压范围匹配一下。

图4 基于矮胖型电芯的布置图

2-长条形布置方案

这里电芯的尺寸是基于590模组做的一个估算，容量是基于8系+硅做的预估，布置的方案如下图，整体算下来电量也可以达到100kWh的目标，只是此时电压平台过高，整车高压这块需要改动较大。

图5 基于长条型电芯的布置图

      通过这一些列的分，我们发现在现有的空间不变情况下，通过升级化学体系，改变电芯尺寸，优化排布，可以达到100kWh的设计目标。

      这里需要说明的是以上的分析，是单从电量提升的角度去考虑推测的，在实际高电量整包开发过程中，要考虑很多的因素，如电芯8系安全问题，产气问题，加硅后的膨胀问题，无模组结构强度问题，使用胶粘维修不方便等，正是这些各种各样的因素，会让我们在高电量电池包设计得时候，不得不进行反复的考量和验证。但从电池技术进化和整车的角度来考虑的话，高电量电池包是未来电池发展的一个趋势，提升电池包的体积能量密度，可以从根本上解决用户的里程焦虑问题，让新能源汽车能够与燃油车的同台竞争，也是极大的利好。