神行快充一定要麒麟电池吗

• 2023-08-16 22:59:23 来源：言之成锂

宁德时代在8月16日下午举办的发布会上正式发布了神行超充电池，是全球首款磷酸铁锂4C超充电池。可以实现充电10min,续航400km。根据长安汽车朱华荣的推介，这款电池10min可以从20~80% SOC，可见车型的综合续航里程在700km左右。参考比亚迪汉以及腾势N7的电耗~13kWh/100km(刀片电池打破LFP乘用车带电量天花板)，预计电池包总能量接近90kWh，价格不会特别低，而且只有中大型车辆才能有足够空间来装下90kWh的磷酸铁锂电池，这些车价格也都在20万以上。考虑到长安以及华为都来站台了，说不定阿维塔可以首发这款神行超充电池，毕竟是宁德时代亲儿子。而且目前其电池是116kWh的三元也能够装下90kWh的铁锂。不过这款电池23年底就量产，24年一季度交付，可能会背刺理想纯电MEGA。同时在电池系统高效的热管理能力下，低温-10℃也能够实现充电30分钟到80% SOC。综上，神行超充电池就是麒麟电池的LFP版本，在快充LFP电芯的基础上匹配麒麟电池高效热管理能力进一步提升整包快充性能。除了麒麟电池之外，小鹏已经发布的G6以及上汽即将发布的LS6都具备很强的快充能力，但都不是麒麟电池架构，那么快充是不是一定要麒麟电池的加持？其他公司的LFP电池能否快充？本文带您一探究竟。

一、电池快充的影响因素

之前的文章中已经提到过（参见4C+快充能成为主流吗），快充需要在充电桩侧以及电池侧共同发力。前者的进步很快，在600A持续充电电流下，今年上半年华为基于1000V系统已经发布了600kW快充桩，广汽，小鹏，理想也相继发布并布局了480kW充电桩，桩端已经不是快充的瓶颈。电池侧主要包括了电芯以及系统的热管理能力。

【资料图】

首先来看电芯本身的快充能力：主要是两个方面，一是要避免快充时析锂导致的安全以及寿命衰减。这方面核心是选择适合快充的负极体系，比如各向同性石墨。同时仿真模拟显示析锂主要发生在负极片和隔膜的界面处，需要保证隔膜孔隙的均一性（一般都采用湿法隔膜，其孔隙更加均匀），其次还要在极片设计上采用浓度以及孔隙梯度设计，靠近集流体处导电剂多，孔隙小，靠近隔膜处正好相反，导电剂少，孔隙率高（宁德时代发布会提到的多梯度分层极片，这个清华大学李哲老师也研究过）。由于涂布之后由辊压工序，一般会把靠近隔膜处的极片的孔隙变小，所以通常采用多层涂布的方式，目前国内的研究机构和企业已经解决了这个问题。

图片源自JECS文章以及清华大学李哲老师报告

其次是电芯电阻不能太大。主要两个影响，首先是产热比较大 (Q=I²R),容易达到电芯的安全运行温度。此外内阻大容易达到电芯的上限电压(V=I*R)，造成充电终止，尤其是在LFP体系中尤为严重（上限电压3.65V只比平台电压3.3V高了0.35V左右）。对于由多颗电芯组成的电池系统，由于容量，内阻的差异，也更容易造成单个电芯达到上限电压导致的充电提前截至(参考宁德时代即将发布6C快充技术？)。

而在电池系统的散热能力方面，主要考虑的是跟电芯接触的散热面积。这在之前的文章（4680电池的充电速率一定更快吗?）也提到过，电池包快充时功率和电流较高，导致发热量很大，充电速率很大程度上取决于能否高效散热。而对于热量传递以及热量对流的过程，其散热量都跟换热面积强相关，Q=K*A*ΔT, 其中K为导热系数或者换热系数，A为导热面积或者换热面积。几种主流的电池来比较的话，4680电池单位容量的接触面积跟21700是减小了的， 虽然电芯采用无极耳设计，内阻大大降低，但是散热面积的大幅下降，导致其快充能力目前还不如21700, 加上顶部冷却的话可能勉强可以。类似的，在800V系统加持下，麒麟电池大面散热的能力十分强悍，其散热面积比21700的1.6倍，是底面和侧面散热的其他方案的接近2.4倍。可有效带走快充产生的热量。所以理论上在电芯能力相似的情况下，麒麟电池的快充确实强悍。

二、快充不一定要麒麟电池

上面已经提过，麒麟电池主要影响是系统散热能力。那么是否快充就一定要麒麟电池呢？这倒未必。因为在快充时，电芯的发热量太高，即使是靠麒麟电池的高效散热能力，也不足以把所有热量带走，还得靠着电芯本身的比热容把热量转化为温升。我们以主流的那款140Ah电芯进行分析，按照电芯内阻0.4mΩ，系统1P198S，其他高压件电阻5mΩ(包括Busbar, 继电器，电流传感器等) 来计算，电池系统总电阻为84.2mΩ。4C充电的话电池系统总的产热功率为Q=I²R=560*560*84.2/1000=26.4kW, 冷却系统散热功率一般也就12kW左右(锂想上海车展发布会上提到的也就12kW)，考虑到有效散热面积不足带来的影响，实际功率都达不到12kW, 按照实际有效散热功率打八折（9.6kW）来计算，那么10min净发热量为10080kJ。如果全部被电芯吸收，按照一般三元铝壳电芯比热容接近1000J(kg.℃), 单电芯质量为2.16kg计算(电芯能量密度240Wh/kg，电压3.7V, 容量140Ah, 那么总质量为2.16kg), 电芯温升为23.8℃. 如果起始温度是25℃的话，连续4C快充10min其最终温度达到了48.8℃，接近电芯50℃的限值了。

上面的计算假设电芯内阻是不变的，但实际上内阻会随SOC以及温度改变。比如电芯充电时，SOC越低，内阻越大。3%SOC的电阻是30%的1.7倍。所以低SOC虽然不容易析锂，更适合大倍率充电，但是内阻又会导致温升严重，所以一般快充都从5~10%左右开始。而通常宣传的20%~80%SOC的快充区间内，电芯内阻是比较接近的（宁德时代也是20~80%的4C快充）。值得注意的是，由于电芯的电阻随温度升高而降低，所以很多企业采用先预热再进行快充的策略，比如特斯拉，比如国轩发布的LMFP 电池预热到35℃(LMFP即将拳打LFP脚踢NCM)。之前王朝阳老师将LFP电芯加热到60℃其内阻大约是25℃时的一半，产热功率下降一半，跟室温环境温差大，散热能力也更强（参考Nature Energy 文章Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles）。所以说温升有时候是好的，一方面降低了内阻，另一方面也减少了析锂风险，只要能控制住不发生热失控即可。一般而言，三元电池快充温度一般控制在50℃以下，超过会大幅度限制功率，确保最高使用温度不超过55℃。而铁锂电池由于安全性好，可能放宽到60℃.

综上，适当升温对电芯快充是有利的，热管理的核心是避免过度升温导致热失控而且要保证电芯温度均匀，因为此前的研究表明，同样的容量偏差，电芯温差控制在5℃以内，其循环寿命是温差10℃的一倍（参考Chin. Phys. B,2013,22, 8,088801）。所以说要努力保证电池包内电芯温差控制在5℃以内，长时间超过5℃对于循环影响很大。控制温差的难点在于电池包中心部位的电芯热量很难散出，一方面需要优化冷却系统的流道设计，另一方面可以采用相变材料控制中部电芯的温升，相变材料有利于缓解电池在发热时的升温情况，并且可以降低电池在工作中的温度变化幅度。比如上汽集团智己LS7就采用了PSG相变超材料防火墙。它是一种新型复合材料，覆盖在整个电池包上盖的下方，可耐1000℃高温10min以上，主要是防止电芯热失控后明火烧出电池包外部，确保车辆和人员的安全。欧阳明高院士孵化的企业 科易动力 也利用相变材料实现了低温下的预热快充以及高温下的快充散热（科易动力在电池系统快充方面的研究比较深入，既有硬件设计，也有软件算法，可以跟宁德时代竞争，只是规模比较小）。此外，浸没式冷却也有利于降低电芯温差微宏动力快充电池系统此前一直采用浸没式冷却，冷却液跟电池直接接触，冷却效果很好，有利于快充的实现。

科易动力快充电池方案

虽然4C以下的快充并不一定需要麒麟电池，但是良好的散热能力确实是实现持续快充的基础。截止到目前，虽然小鹏和广汽都宣称能够实现480kW快充，但其实际发布的车型其最大充电功率都与480kW相差甚远,基本在300~350kW之间，且都是峰值不可持续的功率，这主要受限于目前电池系统的热管理能力。 不过随着电芯本身快充能力的提升，消费者的补能体验已经有了很大的改善：比如小鹏G6的159Ah电芯，最大充电功率280kW（超过3C, 考虑到总能量87.5kWh），10分钟可以充到50%SOC以上，续航300km. 早前小鹏G9的磷酸铁锂版本(EVE电芯)，其电芯峰值充电能力也达到了3C. 而即将在成都车展发布的智己LS6, 虽然没有采用麒麟电池，但其最大快充功率高达396kW (3.75C)，充电10分钟续航350km，15分钟500km, 这已经是极速补能体验了。再往上提升付出的成本很高，而收益却不明显，性价比不高。

图片源自德卤爱开车微博（见水印）

小结：虽然麒麟电池大面冷却的设计方案，可以大幅度增加电芯表面的散热面积并将充电功率提高到480kW, 但是快充电池并不一定需要麒麟电池(由于专利问题，别家电池企业也无法使用麒麟电池)。一方面，对于400kW以上的充电功率，即使是麒麟电池也无法将热量完全散掉，既然需要电芯比热容来吸收热量升高温度。另一方面，快充达到250~300kW对于大部分车型已经足够用了，比如小鹏G6已经实现充电10min续航300km，即将发布的智己LS6号称充电10min续航350km. 非要提高到10min续航400km，那么用户体验的边际效应递减，电池性价比会下降（这跟智能手机快充类似，60W就足够用了，再高对体验提升并不明显）。这次宁德时代发布的神行超充电池，虽然10min充电400km，但是在综合续航里程达到了700km的情况下做到的，电池能量90kWh的话成本并不低（加上麒麟架构可能要接近10万元）。除了快充电芯本身的设计外，业内的重点应该从散热能力转移到均温能力上，降低电芯温差，这样既可以快充，也可以保证寿命的安全，且性价比更高。

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