新能安科技有限公司产品开发高级经理 李翔博士:高功率软包电池在电动工具的应用 |
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简单介绍一下整个集团的发展过程。前十年主要是集中在消费类电子产品电池开发。之后公司开始涉足动力电池领域,2017 年正式拆分出动力电池业务,成立宁德时代,由曾总亲自带队。2019 年我们成立了一家新的子公司,这家公司着眼于新的应用领域拓展,包括我们认为是未来的增长点的,非常看好的一些新的方向。其中就包括今天要探讨的高功率类电池应用。 这是B3报告中的数据,目前ATL聚合物锂电全球年出货排名是稳居全球第一。在相对比较成熟的消费类电子领域,包括手机、耳机、平板电脑,我们都有非常高的全球市场占比。新能安公司在东莞,离华为不是很远。这里想重点强调一下的是,我们不仅仅是做电芯,同时也是做 电池包,我们 可以提供系统解决方案,包括BMS,包括PACK。目前主要产品方向有储能,两轮车,以及高功率领域。高功率这个方向又有三个细分应用:1 、电动工具。2、无人机。3、手持吸尘器。 第二部分,我们重点介绍一下新能安软包电池核心价值,我们究竟能给用户带来哪些差异化的价值点。在座的有很多电池领域的专家,我们知道,对于一个电池来说,真正要把它商用化,需要考虑的维度非常多。今天,我只取了几个关键的,我们认为在高功率应用领域,能被用户直接感知到的、能给用户带来实际价值的几个性能纬度来做一个介绍。包括,连续的 大功率持续放电、 超大功率脉冲放电、 低温下大功率放电能力、 大功率放电循环性能、快充。 第一个,大功率连续放电。今天其实已经有好几个整车、整机公司的专家提到过相关的需求了,跟我这里要讲的非常地契合。比如说之前拓攻讲到的无人机,以及一些电动工具和园林工具,它的日常的应用场景就是大功率的连续放电。对于这些工具,我们在使用的时候,特别是在户外夏季使用的时候,经常会发现电池用几分钟之后就不能用了。这个时候往往并不是电池电放光了,而是温度太高了,达到电池的保护温度。一般电动工具里截止温度是70-75 ℃。我们选取了市场上比较有代表性的几款功率型圆柱电池和我们的高功率软包电池去做倍率测试。以18650 为例,接近4C的时候温升大概在25℃ 。也就是说在室温25℃的情况下,绝对温度已经到了50℃。如果是7C放电的话,温度就会到70℃。所以这颗电池连续放电,而不到达截止温度的最大放电电流就是7C 。 我们跟欧洲几家的非常有名的电动工具公司沟通的时候,他们定义了一个名词叫做OSDC,Onestroke discharge current。我们可以形象的翻译为,这个电流是压倒骆驼的最后一根稻草。如果以70℃作为截至温度,那么这颗18650电池的OSDC就是7C。他们用这个参数来衡量电池的连续大电流放电能力。可以看到,我们这颗软包的OSDC 可以做到14C左右。 为什么这个东西重要呢?我们知道目前电动工具的发展趋势是油转电,有线转无线。在一些场景下,当工人在切割一些比较细的木材的时候,也许5C ,6C就够了。但如果要切割更粗壮的木材,更重载的应用,切割这些可能原先需要用油驱动的机器干的活,那么就需要有更大OSDC的电池。如果电芯本身的放电性能不足,那要满足更大的放电功率,就不得不并联进去更多的电芯,最后可能导致电池包非常沉重。 右边这是一款我们用在大功率手持吸尘器的电池,放电曲线和温升曲线的一个细节对比图。同样的功率下,放电平台更高,能量利用率更高。低电压段的容量占比少,这就意味着可以在更高的电压下做截至。同时,整个放电过程中,温升更低。 另一个非常重要的性能就是大功率脉冲放电。这跟大功率连续放电对电池需求是有一些差异化的。这类应用场景下,实际上整个工作可能就是几秒钟的切割,不会是几分钟连续切割。这种工况下,我们会遇到另一种情况,就是堵转。堵转有时候是圆锯推的太快,也有可能是木板太厚,或者不均匀,里面有个木结。在这类应用中,我们重点希望提升工具的流畅感,不要堵转。 这里核心是要优化电池在超大功率脉冲下的电压降。当有一个瞬间大电流的时候,如果电池的极化较大的化,电压会被迅速拉低。这时候一种可能是直接拉到电池的截至电压之下,比如是 2.5V或者 2.0V。另一种可能是,我们知道功率等于电压乘以电流。如果电压拉低,而这时候需要的输出功率又非常大,这会导致电流会瞬间拉高。如果到电机的保护电流,电机就会停转。体现在用户手里都是堵转。 从这张图来看,我们的软包电池的在超大功率脉冲下的电压降更小,这就意味着它可以承受更大的脉冲放电,更不容易堵转。这个是40C 放电5秒的曲线,可以看到电压平台保持的比较稳定。对于这个性能我们一般会用直流阻抗来做衡量,这里可以看到,软包的直流阻抗是一般圆柱电池的1/3 左右。 低温大功率放电能力,低温下电池动力学一定会下降,所以大功率放电和低温一直是相矛盾的。整个放电曲线最难的是最开始这一段,因为放电一段时间之后温度就上来了,最开始电池很冷,倍率很高,这个时候最容易发生截止。可 以看到,这里会有一个波谷电压。我们的优势是在于低温动力学性能更好,不会轻易由于波谷电压过低而触发电压截至。 再有就是循环性能。大功率应用场景下,由于每次使用电芯温度都要飙到六七十度,这个时候对循环是很大的考验。ATL的电池在循环上一直比较有优势。像这颗电芯,即便连续的10C放电,到1000 个循环,也有90%以上保持率。 快速充电能力,这项特性在一些特定的应用场景下价值非常高。比如说农用无人机,如果说充电速度很快的话,用户就不需要买更多的电池包,两块电池包就可以连续使用了,配合循环优势就可以帮助他节省成本。快充的能力一方面来源于本身化学体系,能够承受大倍率的充电而不发生析锂。另外就是低阻抗带来的,电池的CV段很短,直充率更高。 接下来简单讲一下我们应用在高功率电池中的一些核心技术。温升来源有两块,一块是可逆热,一块是不可逆热。可逆热是材料本身决定的,我们首先会选择可逆热相对比较小的体系。另外是不可逆热,可以看到,不可逆热占主体。所以核心是要降低电池的阻抗来降低它不可逆热,进而提升动力性能和温升。而阻抗又非几类,有欧姆阻抗,电化学转移阻抗和浓差极化阻抗。 对于四大主材设计优化。我们刚才讲了核心是要提高电芯内离子和电子的迁移速度。包括阴阳级颗粒粒径优化、表面包覆优化,以及极片层面工艺的改善。高孔隙率隔膜的应用,同时不能牺牲芯自放电性能。以及电解液体系动力学提升,电解液体系是电池里面非常重要一块,它将最终平衡你电池的性能。 另外就是电芯结构的优化。我们应用了多极耳的极片设计。在大功率放电的时候,我们非常需要把电流密度降低,怎么样降低呢?我们可以通过更多的极耳把它分散,这项技术ATL 很多年前就量产并应用在无人机领域。 最后一部分,简单讲讲ATL高功率电池几个代表性应用。 首先是手持吸尘器电池。在不同应用场景下,用户对电池性能的感知是不一样的,对性能优先级需求也是不一样的。手持吸尘器最重要是要有更高的功率,而且拿起来要轻便。所以我们吸尘器电池主打的就是轻而有力。前面有讲过,我们投入很多人力在电池包开发上。因为用户在使用的时候看的是整个电池包。电池包如果做得好,可以发挥电芯的长处,弥补它的短处。比如说软包电芯最明显劣势就是机械强度,因为它本身没有一个坚硬的外壳。但是软包电芯是放在电池包里面,所以电池包对它结构强度的补充就非常关键。同时,对于循环性能,不仅仅电芯循环要好,电池包层面电压均衡,热管理、热均衡这都要控制好。目前吸尘器个领域我们已经有四五款产品在市面上了,今年还会有十几款产品。这个是一个比较有代表性的产品,它非常轻,只有200多克,但可以支持230W放电。用的时候用户手是握在电池上面的,所以如果电池外壳温度超过40℃,拿着就会很不舒服,而我们的电池刚好可以解决这个痛点。 第二类是无人机电池。在农用无人机上,对电池性能需求是非常高的,包括动力输出要求10C 连续放电,同时要5C的快充。在农间作业的时候环境很复杂,需要多重保护,IP67。同时循环要求也很高,因为循环寿命也会直接影响到使用的单次成本。这个是我们第三代农机电池产品,去年年底上市,性能相对来说在业内是领先的。 还有就是航拍无人机,可以看到它的销量非常大。它的性能需求相对来说比农用无人机来说不太一样。它对能量密度和重量要求会更高。 第三类是是电动工具电池。它对电池的要求非常高,需要有非常强的功率,快充,以及长循环。同时还要皮实耐用,因为工人使用的时候是粗糙的。这就以为这对应的电池包结构设计和电芯选用都需要匹配这一类应用的特点。因为电动工具这块产品还没有正式上市,为了保护我们的客户,并没有把它具体产品信息拿出来,但是很快大家就可以看到我们在电动工具上面的电池产品了。 以上就是我今天主要汇报内容,谢谢大家。 主持人:由于时间问题,我们这边只留一个提问的机会。 提问:感谢李总刚刚的分享,很精彩,我有一个问题,新能安对电动工具用电池,那么从安全性及可靠性方向和圆柱电池区别在哪里? 李翔:我们一般怎么看电池的安全,会把它分成几个维度。首先机械是一个维度,第二是热滥用的环境维度,第三是电滥用维度。 第一个是机械这类,如果软包电芯和圆柱电芯去比,一定是比圆柱电芯差的,但是在PACK 会用特殊的工艺,比如说全灌胶就可以抵消机械上的劣势,我们可以做2米的跌落,同时还会做头部的挤压,比如说模拟重物压到上面,第二个是热滥用,我们可以做到很好的热稳定性,可以用高温热箱测试来验证。而且软包电池即便在高温下有膨胀也不会轻易爆炸。第三是电滥用,过流,过压,短路,这个就需要我们电池管理系统把这个东西做好,我们这边也有BMS 部分的研发。 HOSTS Organizer Sponsor返回搜狐,查看更多 |
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