宁德时代AB电池解决方案

AB电池解决方案是什么？

宁德时代的团队基于BMS的全新算法，提出并实现了在单个电池包中布置AB两种不同电芯的设计方案，AB既可以是铁锂+三元，也可以是锂电池+钠电池，还可以是其他更多种不同组合的混搭。

铁锂/三元AB电池方案

据了解，蔚来纯电动换电轿车ET7采用三元&磷酸铁锂混排电池包后，蔚来 ES7也可选装70kWh三元锂电池包、75kWh三元&磷酸铁锂混用电池包、100kWh 三元锂电池包，续航里程预计为500km和600km两个级别。其中，75kWh三元&磷酸铁锂混排电池包由宁德时代子公司江苏时代提供。三元&磷酸铁锂混排电池包，其中三元锂电芯可以提高能量密度，弥补磷酸铁锂电芯低温性能短板;而磷酸铁锂电芯则可以发挥其低成本、高温稳定性等优势。

锂电池/钠电AB电池方案

CATL第一代钠离子电池：

1）正极材料方面：普鲁士白和层状氧化物两类材料，克容量已经达到了160mAh/g，与现有的锂离子电池正极材料相当。

2）负极材料方面：宁德时代开发了能够让大量的钠离子存储和快速通行、具有独特孔隙结构的硬碳材料，这种硬碳材料克容量可350mAh/g以上，还具备优异的循环性能，整体性能指标与现有的石墨相当。

3）电解液方面：CATL开发了适配这样的正极负极材料的新型独特电解液体系。

4）制造工艺方面可以与目前的锂离子电池制造工艺和设备相兼容。

5）电芯单体能量密度160Wh/kg，常温下充电15min，电量可达80%；-20度低温环境下，有90%以上的放电保持率。系统集成效率方面超过80%。

当前钠离子电池在能量密度方面明显低于LFP电池，但是在低温性能和快充方面具有明显优势。

图1  钠离子电池和LFP电池对比

钠离子电池与锂离子电池的集成混合共用：将钠离子电池与锂离子电池同时集成到同一个电池系统里，将两种电池按一定的比例和排列进行混搭、串联、并联、集成。通过BMS的精准算法进行不同电池体系的均衡控制，这样可以实现取长补短，既弥补了钠离子电池在现阶段的能量密度短板，也发挥出了它高功率、低温性能的优势。这样的锂-钠电池系统就能适配更多应用场景。

图2  钠电池与锂电池的混合动力系统

关于宁德时代的AB电池解决方案，没有发现更多信息。本文分享这方面的文献：介绍了使用具有不同电池类型的混合电池系统，以此了解AB电池系统技术。

通常锂离子电池可以通过不同的设计参数和正负极材料、隔膜和电解液的选择设计为高功率型或高能量密度型。新能源汽车动力一般由单一电池类型组成，其能量和功率依赖于特定的电池类型，这通常会导致电池不能同时满足多种需求。而混合动力系统可以更有效地满足电动汽车的功率和能量要求。混合动力电池系统的能量管理策略是基于电池单元的电化学和热学特性开发的，旨在最大限度地减少能量损失并提高整个系统的电和热安全水平。

混合电池动力系统包括以下几种情况：

（1）第一种情况：电池系统中，几种电池组成不同的pack，每个pack内部电池类型是一样的，在不同的工况条件下使用不同的pack作为动力；

（2）第二种情况：电池系统中，，几种电池组成不同的电池组，每个电池组内部电池类型是一样的，在不同的工况条件下通过BMS算法优化将需求功率分配到不同的电池组；

（3）第三种情况：两种不同类型的电池通过并联或串联的方式组成基本电池单元，然后基本电池单元再串并联组成电池系统；

（4）第四种情况：电芯内部混合，电池极片中混合高能量密度和高功率的活性材料，使电池兼具能量和功率特性。

（5）第五种情况：材料层级的混合，两种材料在材料结构上进行设计，如核壳结构。

第二种情况

a）单电机驱动系统

混合动力传动系统结构如图3所示，包括车轮、变速箱 (g)、电机 (EM) 和 DC-AC逆变器(=/≈)以及混合电池系统（Battery part1和part2），其中电池part2通过 DC-DC 转换器（=/=）连接。两种电池选择如表1所示，分别为松下NCA高能量型18650电池和东芝高功率钛酸锂电池，例如电池系统配置为20 kWh 电池组 1 和 3 kWh 的电池组2。

图3  混合动力传动系统结构，包括车轮、变速箱 (g)、电机 (EM) 和 DC-AC逆变器(=/≈)以及混合电池系统（Battery part1和part2），其中电池part2通过 DC-DC 转换器（=/=）连接。

表1  高能量型（松下NCR18650BD）和高功率型（东芝钛酸锂电池）电池规格

对于预先知道工况驱动任务以及对于未知的工况驱动任务，电池系统管理策略就是在能源效率方面找到混合动力电池系统内的最佳功率分配，具体算法可以参考文献。

参考文献：Wegmann R ,  Doege V ,  Becker J , et al. Optimized operation of hybrid battery systems for electric vehicles using deterministic and stochastic dynamic programming[J]. Journal of Energy Storage, 2017, 14(pt.1):22-38.

b）全轮驱动系统

如图4所示，全轮驱动系统包括两个电动机EM、一个高压 DC-DC 转换器、两个牵引逆变器DC-AC和两个不同类型的电池组。每个车轴由一个电动机驱动，从而形成全轮驱动配置。考虑系统灵活性和成本之间的平衡，设置了一个 DC-DC 转换器。高能量型HE 电池组直接连接到直流母线。高功率型HP 电池组通过DC-DC 转换器和直流母线连接。

高能量型HE电池组以锂镍钴铝氧化物 (NCA) 和石墨作为电极材料，容4.9 Ah，具有非常高的能量密度。高功率型HE电池以锂锰氧化物 (LMO) 和钛酸锂（LTO）为正极和负极材料，容量 2.9 Ah。具体厂家和电池规格如表2所示。

图4  全轮驱动电动汽车的混合动力电池系统结构示意图

表2 高能量型HE和高功率型HP电池规格

BMS算法采用机器学习训练模型，主要任务是优化HE和HP电池组之间的功率分配，目标是减少能量损失，同时确保系统的电气和热安全，具体的深度机器学习框架如图5所示。

图5  电动汽车的混合动力电池系统深度机器学习框架

使用相同的 HE 电池实现单电池系统（SBS），其具有与混合电池系统(HBS)相同的能量，然后以相同的负载曲线作为基准对单电池系统和混合电池系统进行了测试比较。图 6显示，HBS 中的 高能量型HE 电池组的电流在整个行驶范围内都被限制在一个安全区域内，而 SBS 中的电流超过了安全运行限制。与HP电池组相比，HE电池组作为主要能源，内阻也更大。因此，HE电池组内的发热速率大于HP电池组，导致温度较高。与单HE电池系统的温度超过温度上限相比，HBS中的HE和HP电池组的温度均处于安全范围内。

图6  单电池系统SBS和混合电池系统HBS中高能量型HE电池的电流比较，以及每个电池组的温度曲线。

参考文献：Wla B ,  Han C A ,  Tna B , et al. Deep reinforcement learning-based energy management of hybrid battery systems in electric vehicles[J]. Journal of Energy Storage, 36.

第四种情况

电芯内部混合高能量型和高功率型两种材料，这两种材料的组合可以以不同的方式实现：

（1）简单的双材料电极可以由基于两种活性材料的两个电极段组成（图7a），两种材料可以都直接与集流体接触；

（2）两种材料电极也可以开发成分层电极，其中每层由两种材料中的一种组成。在这种情况下，高能量型电极可以夹在集流体和高功率型材料之间，或者也可以位于高功率材料的上层并与隔膜直接接触（图7b）。与集流体直接接触的材料电阻应较小，但离子电阻较大，因为离子必须穿透上层。

（3）两种活性材料的混合物，这是一种简单的双材料电极制备方法（图 7c）。

图7  双材料电极示意图

宁德时代在宁德时代在其前沿技术介绍中提到了通过电池极片微结构设计提升电池性能。

长寿命技术方面：通过极片层级精细设计，构造“离子和电子高速通道”，减小锂离子扩散阻力，减缓容量衰减。

超快充技术方面：通过调控极片多孔结构的梯度分布，实现上层高孔隙率结构，下层高压实密度结构，完美兼顾高能量密度和超级快充双核心。

层级结构也可以利用活性物质本身不同的特性，例如高能量密度型、高功率型来设计，同时实现电池高能量密度和高功率特点。

第五种情况

在图7d中，两种的不同特性材料在材料层级结合在一起，例如核壳材料。

参考文献：Cericola D ,  K?Tz R . Hybridization of rechargeable batteries and electrochemical capacitors: Principles and limits[J]. Electrochimica Acta, 2012, 72(none):1-17.

混合电池动力系统拓扑结构如图8所示，又可以分为以下几种：两种或多种不同电池的直接并联，电池类型的耦合是被动进行的，不使用中间电力电子转换器。两种电池的电压与负载的电压相同，两种电池类型的电压窗口必须匹配负载。由于两个电池组直接相连，因此无法控制功率分配。为了主动混合，两个电池之间增加电阻或者电流控制器件，使电池之间主动均衡。此外就是多个模组设计，模组之间配置DC/DC转换器。

图8  混合电池储能系统概念：（a）并联被动混合系统；（b）两种电池并联，之间带电阻器件；（c）两种电池并联，之间带电流控制器件；（d-e）双模组结构，不同的DC/DC转换器件连接方式。

参考文献：V. Döge, C. Kurtulus, V. Hennige, R. Wegmann.Scalable energy storage systems for effective electrified mobility concepts, Transport Research Arena (TRA), vol. 14 (2016), pp. 3621-3630

电池Pack和BMS方面的基础知识还有待加强学习，对宁德时代的AB电池解决方案理解比较浅显，欢迎大咖来解读。