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探秘比亚迪刀片电池工厂!

   
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弗迪工厂刀片电池装配线

比亚迪刀片电池出世之后,引发无数关注。惊叹于它的性能之余,很多人都会疑惑,接近1米长的电芯,能够批量生产吗? 

6月2日,《电动汽车观察家》受邀参观了比亚迪在重庆璧山的弗迪电池工厂,并和弗迪电池副总经理孙华军交流,了解了刀片电池生产的过程,及其未来的技术方向。  

这个由比亚迪大段自行设计、开发的电池生产线,体现出比亚迪近18年电池研发生产的经验,也处处体现出车用动力电池的标准。璧山弗迪电池工厂年底实际产量有望达到8Gwh,据称都已经被预定。

 1、业界最快叠片速度

从重庆市中心向西驾车一个多小时,是近几年发展迅速的璧山区。它被重庆规划部门称作未来工业化和城镇化的主战场之一。璧山国家高新区,也是全国首批智能化试点示范工业园区。 

2018年8月,一个大项目落在了这里——璧山区与比亚迪签下了年产20GWh的动力电池产业项目。项目总投资人民币100亿元,主要包括动力电池电芯、模组以及相关配套产业等核心产品制造。

资料来源:弗迪电池

2019年2月22日,项目开工。一年之后,工厂建成投产。2020年3月,比亚迪通过一场在线发布会,将这个工厂的产品——刀片电池介绍给了全世界关注电动汽车的人们。

刀片电池仍然是磷酸铁锂电池,但是其结构、规格都和以往大不相同。因此,比亚迪也为它全新设计了生产线。

我们的参观沿着电池生产流程走,基本工序并没有变化。但是每一个工序的品质控制能力、生产效率、高度自动化、数字化,体现出世界最先进动力电池工厂的追求。

突出的特点和工艺有几个: 

(1)环境控制 

在电池生产过程中,空气洁净度与电池品质高度相关。空气中包括粉尘、金属颗粒和水分,都可以说是电池安全之敌。首要的又是粉尘控制,粉尘如果带入电池,可能导致电池内部短路,甚至隔膜的刺穿,以及自放电等问题。 

比亚迪为此对车间整体做了无尘设计,整体是万级标准,关键工序达到了百级标准。 

所谓百级标准,孙华军介绍说,一立方米空间内,5微米(头发丝1/20粗细)的颗粒不超过29个,这达到了与液晶屏生产车间相同的标准。 

(2)宽幅涂布和辊压 

刀片电池长96厘米,也就需要大概这么长的极片,涂布和辊压工艺,都必须支持这个宽度。 

弗迪工厂的涂布工艺,支持最大宽度达130厘米,同时还是双面同时涂布,单位面积涂敷重量偏差小于1%。 

弗迪工厂宽幅涂布工艺 

辊压工艺中,可以支持120厘米超大宽幅,辊压速度还能达到120m/min,厚度控制2μm以内,确保宽尺寸极片厚度的一致性。 

在120厘米的宽度下,极片中间部分受力不如两侧,可能厚度会比两侧高。为此,弗迪工厂的辊压机还采用了弯缸工艺,对轧辊进行平行度校正,以确保辊压后的极片厚度一致性。 

(3)高速叠片

相对于卷绕电芯来说,叠片电芯的好处多多,但是就一条,工艺难。首先,极片分切精度和一致性要很高;其次,堆叠时对齐精度要很高;第三,基于前两者,一般来说叠片效率要低于卷绕。 

比亚迪此前的电池基本都是卷绕。但弗迪工厂的刀片电池,采用的是叠片工艺,而且是比亚迪完全独立自主开发的设备和裁切方案。设计的叠片速度在0.3s/pcs,工厂的介绍说,这是业界最高水平。可惜参观环节不包括叠片工序。

(4)加压注液

刀片电池这样一个狭长的大电芯,如何让电解液充分注入并吸收,也是挑战。比亚迪自主研发了太空舱加压注液技术,先采用真空负压将电池壳体内的空气排空,再用加压方式将电解液充分注入。 

总体而言,刀片电池工厂是达到工业4.0级别的制造、管理系统,在品控体系上符合IATF16949&VDA6.3标准。IATF16949国际汽车工作组的质量管理体系,VDA则是德国汽车工业联合会制定的德国汽车工业质量标准。刀片电池工厂虽然不说自己是车规级工厂,但各项要求都是对标汽车行业标准的。 


2、刀片的诞生

这次刀片电池工厂的开放参观,也透露了刀片电池的诞生经过。 

之所以把电池做长,是因为电池包体积能量密度提升的需求。“我们想要把电池包内部浪费的空间利用起来。”孙华军说。

将电芯做大、做长,减少电芯数量,充分利用空间,是很多电池厂都能想到的改进方案。不过,要做到将近1米的长度,很多同行不敢想。“他们基本上都认为1米的电池不太可能(做得出)。所以我觉得这首先还是敢不敢想的问题。”孙华军说。

刀片电池成品

比亚迪如何能实现?“我觉得是基于持续的、执着的深耕,以及这种结构的技术的积累。” 

所谓积累,是比亚迪做了18年磷酸铁锂电池,最近的12年间,不断往长条形结构发展,长宽比从3.5到3.8,最终达到10.6、狭长如刀片的电池设计。刀片,不是一天变长的。

不过,自设计到诞生,比亚迪也花了一年半时间,包括先做计算仿真,通过专家技术评审,经过手板样件、模具样件、OTS样件、小批量试制样件四轮验证测试,才最终批量生产。

3、低温性能不弱于三元

在3月份的刀片电池发布会上,比亚迪主要讲述刀片电池的高安全性——能通过针刺测试,以及体积能量密度的大幅提升,使得搭载刀片电池的电动汽车续航里程也能突破600公里。 

不过,业界基于磷酸铁锂电池的特点,对刀片电池的低温性能,充电功率等都还有疑问。 

孙华军这次对刀片电池的性能做了全面解析,提出超级安全、超级强度、超级续航、超级低温、超级寿命和超级功率六大特点。

安全、强度、续航在上次发布会已经披露了不少。刀片电池的低温、寿命和功率特性,比亚迪是首次披露。

一般而言,业内普遍认为磷酸铁锂电池低温性能不如三元电池。但是,根据孙华军介绍,刀片电池在低温充电时间上比三元略长;充电功率方面,如果是高电量,磷酸铁锂优于三元,如果是低电量,磷酸铁锂不如三元,但是满足需求。

低温放电方面,刀片电池即便是在-20℃,都还能放出90%的电量,但他没有提供和三元的对比。低温放电功率方面,磷酸铁锂优于三元。

这样的表现应该说超出预期,原因何在? 

孙华军解释,解决低温性能,主要两个途径。一是在材料层面,采用纳米化的磷酸铁锂。 

这是业界常见的解决方案。一般认为,纳米化减小了材料粒径,从而缩短锂离子的迁移路径,改善功率性能。 

另一个途径是系统层面,对电池包进行热管理。孙华军介绍,刀片电池在结构上,底层有保温材料,上层有液冷的热管理系统,再上层还有保温棉。

孙华军说,基于这一套热管理系统,在冬季实验过程中,电动汽车续航能力的表现非常好;夏季实验中,电池包温度的均匀性,散热的能力,也是满足要求。“总体上,这样的一个结构,能够让我们的电池包适应非常宽的温度范围。”

在寿命方面,业界主流看法磷酸铁锂要好过三元。孙华军拿磷酸铁锂和三元811电池对比,优势更加明显。磷酸铁锂可以在5000个充放循环后,容量保持在80%以上,而三元811电池在2000次左右,就衰减到了80%。

在功率方面,孙华军没有对比三元,而是介绍说,刀片电池在33分钟内可以将从10%剩余电量充到80%。放电功率方面,比亚迪汉最大功率可以达到363kW,提供3.9秒的百公里加速能力。

首款搭载刀片电池的车型比亚迪汉EV

根据孙华军的描述,以上性能,其实还是刀片电池1.0的水平。比亚迪还将推出升级产品。 

在磷酸铁锂的弱项——重量能量密度上,刀片电池还能再提升吗? 

孙华军介绍,现在刀片电池电池包的能量密度是140Wh/kg,后面能提升到160Wh/kg、170 Wh/kg。 

会不会采用刀片电池工艺生产三元电池呢?

孙华军认为,要看消费者的需求。如果续航600 公里、700公里的车推出了,同时充电基础设施完备了,消费者没有里程焦虑,那么磷酸铁锂就够用。如果消费者还是有更高的里程需求,可能就得去用三元。 

刀片电池长近1米,是否符合不同车企的电芯选型要求,也是业界疑问。孙华军表示,“这个尺寸首先是适用于我们第一代的产品。一旦这个产品的结构技术被大家所接受,我们要去扩展很容易的。” 

在刀片电池专利中,刀片电池长度可以在600—2000mm之间。他强调,比亚迪申请专利中提及的产品,都是能够量产的。他还说,“实际上内部也有1米3的方案,可以无缝替换。” 

他也强调,电芯尺寸也不会太多,“我们新的刀片电池工厂的话,可能会基于不同的尺寸的需求去投建。因为整个工艺技术大家都打通的,所以相对比较容易一点。” 

那么刀片电池这个结构技术能否被大家接受呢?孙华军重复了此前王传福的话术:“几乎你能想到的所有汽车品牌,都在和我们探讨基于刀片电池技术的合作方案。” 

弗迪工厂的一名高层提供的更为确定的信息是,璧山工厂年底实际产量有望达到8Gwh,这些产能都已经被预定出去了。

来源:电动汽车观察家

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