【新能源】比亚迪DM-i刀片直冷电池包系统设计

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冬至长刀、短刀电池

方形、软包、圆柱是目前动力电池三种主要形式；在三种不同形态的锂电池中，圆柱电池仅使用卷绕工艺，软包工艺仅使用叠片工艺，方形电池既可以使用卷绕也可以使用叠片工艺。目前，全球头部电池企业未来产品规划逐渐向叠片电池切换。

21年全球动力电池装机量排名前十的电池企业中，六家（LGES、比亚迪、SKon、中创新航、远景动力和孚能科技）布局叠片路线。

而刀片又是其中的佼佼者，似刀非刀，长刀短刀，和两C-PK在动力电池之巅；

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直冷的选择理由及未来

比亚迪dmi和E3.0平台的海豚要用冷媒直冷，归纳下目前在应用冷媒直冷的主机厂和车型：

1.1 BMW插电混动车型，包括X1，X3，3系和5系等插电混动；

1.2Jeep指南者和大指挥官的插电混动；

1.3 BMW mini和countryman插电混动；

1.4BYD全系dmi车型，包括秦dmi，宋dmi等；

1.5 BYD E3.0平台的首款车型海豚；

1.6BMW i3。

2. 应用冷媒直冷技术的初衷和出发点

因为电池如果需要大倍率充放电需要高效冷却，或考虑到液体泄漏造成的风险等等因素，小编归纳以下直冷技术的好处：

-->冷却速度快，冷媒蒸发温度低，少了chiller的液冷转换；

-->冷却效率高和能耗低，少了chiller冷冻液和冷媒的交互；

-->安全性高，不会像液冷造成短路；

-->能够降低整车重量，节省一部分零件和冷冻液的重量；

-->降低成本，节省一部分零件。

3. 应用冷媒直冷的难点

冷媒属于两相流体，直冷开发难度比液冷大，主要在冷板设计和策略控制上。加上仿真手段、测试手段、密封手段的缺失；

4. 应用冷媒直冷技术能节省的成本

通过对比直冷和液冷的热管理架构，可以发现直冷系统可以去掉电池侧水泵（200元），电池侧副水壶（40元），电池chiller（300元，含EXV和PT传感器），还有一些水管。考虑到铝管比塑料管贵一些，这样大致算下来，单车可以节省500多元。

不但价格降低了，关键整车重量也降低了（起码冷冻液比冷媒重很多），降低7Kg重量应该不成问题。

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DM-i的软刀电池

比亚迪DM-i采用的是“软刀”电芯，即多个裸电芯串联在一个方形铝壳内，这样便于提高整包的电压。DM-i的这个软刀电池采用的是8串的方案，整个电芯的额定电压为25.6V，带电量约1.22kWh。

比压迪目前的刀片系列电池主要分为长刀、短刀、软刀、方刀，仅有软刀电池是采用这种裸电芯成组的思路，本质上，一个软刀电芯就相当于一个小的模组。所以，我们看到软刀电芯是有自己独立的高低压接口的。

软刀有个问题是比较严重的，就是漏液，由于它是由多个裸电芯串联，存在有多个连接点，使得它有较高频率的电解液泄漏问题，去年比亚迪有较多的整车安全事故很大部分来自于此。

2. 基本参数与整体布局

这里分析的是V67型产品的DM-i电池包，额定容量是47.7Ah，额定电压是384V。

DM-i的外表面布置有一层保温措施，这个保温层与冷板构成一个上盖组件。

PS：粗糙的直觉，这只是一个样件，作为热管理供应商送样的某个报废电池包样件。保温棉的外观实在和BYD外观大相径庭；但是整个保温思路，是对的。

下箱体则分为两个区域，一个是电芯成组区，共计15个软刀电芯沿电池包的轴向进行布置，另一个区域则是高低压控制区，即配电箱和BMS。在电芯与冷板之间布置有导热胶和加热膜。

整个电池系统的平面布置和Z向构造如下图：

3. 直冷与自加热

BYD在DM-i系列车型中，大规模的上了直冷技术，关于直冷冷板的设计，在量产的车型中我看到过两个方案，如下图所示，流道的不同，意味对冷却效率有所不同。根据比亚迪的宣称，直冷相对于液冷少了一级热交换，使得系统的换热效率提高20%。

对于加热，比亚迪这里没有走直热这个冷却同一通道，也没有利用热泵或是利用发动机的余热，而是首次采用了电芯脉冲自加热技术。

根据比亚迪的描述，这个脉冲自加热原理是通过BMS电池管理系统，控制电池高频自放电，让单片电池内部生热，这样加热电池组，电池组的平均温度会更好，加热效率比传统液热高10%。

得益于软包刀片的结构形态优势，DM-i能够将整个系统的空间利用率达到65%，这使它能够更好地利用既有空间；不过，就像前文所述，软刀在自身内部的成组有较为大的失效问题，基于软刀的方案未来如何走，还说不好。

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BYD刀片相关专利

比亚迪的刀片电池即长电芯方案（主要指方形铝壳），是一种通过增大电芯的长度（最大长度与电池包宽度相当），将电芯扁长化设计，来进一步改进电池包集成效率的技术。它不是某一个特定尺寸的电芯，而是基于不同需求可形成不同尺寸的一系列电芯，具体形状如下：

正负极在两端，两端（或一端）都有防爆阀，有点软包两端出极耳+方形铝壳综合的感觉。相对于已有方形铝壳电芯方案，这个电芯最明显的优势在于散热效果好，难点在于整个电芯的结构稳定性，内阻，注液等，尤其是结构强度方面，在后面的CTP方案中，电芯需要依靠自身来实现支撑。

对于此，比亚迪主要是通过成型工艺、结构设计等方面的改进提高外壳的支承强度，同时将外壳的长宽比控制在预定范围内。此外，通过集流路径的优化等方式降低单体电池的内阻，还可辅以注液工艺的改进，解决单体电池尺寸较长带来的注液时间较长的问题。

接下来，我们从专利来重点看下比亚迪的CTP方案。

（1）结构上，下图是一种CTP方案的组成爆炸图。

可以看出，单排电芯，直接铺在底板上，电芯的两端固定在端板上，由两端边框提供对电芯提供支撑，为了增加支撑力，可以在底板上增加一个支持台阶；在电池包边框与电芯大面之间有缓冲板（侧板），对电芯提供夹紧力。这个方案中没有纵横梁，也可以增加纵横梁或阻燃隔热垫之类，这样形成多个子模组，如下：

比亚迪似乎是计划用电芯自身的强度来实现自支撑，同时再依靠集成后的电芯强度来增加整个电池包的结构强度，即电芯与箱体紧紧结合为一体。这个有待最后的产品检验，对电芯壳体的强度要求很高啊。

（2）热管理

比亚迪对CTP给出了两种冷却方案，上图展示的为液冷设计。该方案是把水冷板放在整个电池包的上面，与模组顶板的直接接触，对电芯侧面窄边进行冷却；为提高导热效率，模组顶板与电芯侧面之间有导热板（可能导热胶或导热垫更合理），整个包的温度差控制在1℃以内。水冷采用U形水道设计或并行设计。

与此同时，电芯的另一侧面与模组底部之间有隔热层，以隔绝电芯与外界的热交换，起到保温作用，可采用保温棉。

这个图也可以看出比亚迪CTP热失控的基本思路，正对着防爆阀设计进气孔，将热失控发生后的气体、火焰等引导到排气通道，经排气通道排向周围环境。另外有多个模组的，模组之间会形成物理隔离；整个电池包的外面应该还会有平衡防爆阀；这个思路与Model S的设计比较一致，难点在于IP67，热失控通道的进水腐蚀问题。

（3）CTP的方案配置

从专利来看，比亚迪CTP的方案在8种以上，对应于不同尺寸电芯和不同的布置，也考虑到了双层电芯的方案；对于箱体的集成，CTP会有传统的车底盘与箱体分离的传统方案，也有二者集成为一体的集成底盘方案。

整个设计中，还缺少另外一个核心的电连接及高压配电方案。电连接应该会利用FPC技术，这块比亚迪走得也比较早，高压配电可能会利用下面红圈圈的空间，有点类似奥迪e-tron的思路，以及前端空中来的一块空间，见上面第4个图，类似于Model S。

比亚迪的这一套CTP技术信息量不少，简单梳理下要点（电芯内部除外）：

（1）大电芯，大模组，电芯壳体材料/工艺是个有新技术需求的地方；

（2）CTP结构上，电芯如何固定是难点；

（3）CTP热管理上，首次提出了电池包顶部冷却的设计，导热胶、保温棉之类的是增量所在；

（4）CTP热失控上，方案的可靠性不太好（这个方案已经有失效案例），可能会需要更多的PACK防爆阀；

（5）连接工艺上，高强度结构胶可能是未来增量所在；

（6）多功能复合材料箱体的产业化。

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来自短刀的刀

PS，笔者一直有疑问。BYD的刀片和蜂巢的刀片到底啥区别，所谓长短，到底是技术水平、还是市场持久能力？！

蜂巢最新的L600电芯长度大约在574mm，BYD的刀片在1米左右，难道这就是所谓的长、短之分，是否太过儿戏；

后面要不要区分个胖、瘦之分呢。

君且看，蜂巢龙鳞甲电池：