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丰田bZ4X的电芯与模组设计

 知化汽车 2023-04-16 发布于浙江

bZ4X是丰田真正开始用心来做的第一款纯电车型,虽然它带给我们的冲击与惊喜没有那么多,车子的反响也平平,但这对于大象转身的丰田来说,算是迈出了第一步。

它在电气化的一些设计,也值得我们详细来推敲和研究下,比如充电、比如功率逆变、比如电池系统。它电池整体上的设计类似我们在2019-2020年左右的方形风格,既保留着传统设计理念上的痕迹(比如可维修性、装配性、回收性、冗余性),又想向向前突破,比如采用了大电芯与大模组的方案。
1、bZ4X电芯的类型与设计
bZ4X的电池系统基本参数如下表所示:

丰田bZ4X与UX300e电池包参数对比
从电量上共有两个版本,71.4度电的是松下版,72.8度电的是宁德时代版。这两个版本的集成方式是相同的,只是电芯摆放的方式有差异。
从松下版电池系统与UX300e的对比来看,bZ4X系统的质量比能148.44Wh/kg,提高了13%。bZ4X的两款电芯参数对比如下。

丰田bZ4X松下版电芯与宁德版电芯基本参数对比
在bZ4X车型上,丰田采用了两款电芯,一款是松下的201Ah电芯,另一款是宁德时代的205Ah电芯。从电芯的参数上来看,二者最大的差异在于,松下版是一种能量兼功率型电芯,它的快充差不多达到2C,而宁德版的则不支持这种程度的快充。实际的使用情况来看,松下版bZ4X快充功率达150kW,而宁德版则在100kW左右。按照松下和宁德当前的技术储备,完成可以提供比这更好的电芯选择,不太清楚丰田为何没有去追求更佳性能的电芯。
有一个方面可能是其中原因之一,丰田对bZ4X电芯的寿命要求是10年容量衰减不得低于10%。
这里我详细看下松下版bZ4X电芯,如下是它的结构构成,内有3个裸电芯体,裸电芯体与铝壳之间有绝缘膜。正负输出极都在盖板的一端,盖板的中间是安全泄爆阀,旁边是注液孔。

丰田bZ4X松下版电芯构成爆炸图
从尺寸上看,这款电芯与宝马ix3的电芯比较类似,但Z向高度比ix3要高,电芯肩高是103mm,加上输出极的尺寸,高度差不多要106.5mm。体积比能为589Wh/L,相对于UX300e电芯,比能提高了11%。它的正负极与隔膜构成如下:

丰田bZ4X松下电芯正负极与隔膜构成
丰田bZ4X松下电芯的隔膜两侧进行了耐热涂层,以增强应对电芯内短路危害的性能。

C-HR电芯正极材料与bZ4X松下版电芯正极材料对比
为了增加电芯的容量,bZ4X电芯对正极材料进行了升级,相对于C-HR电芯增加了镍的含量。而且,bZ4X正极材料中的小颗粒改为单晶体,改善了容量的衰减性能。同时,bZ4X电芯正极材料的大、小颗粒均进行了表面处理,以抑制正极材料与电解液的反应,进一步改善电芯容量的衰减性能。
对活性材料的表面进行处理以减少与电解液的反应,这一措施也应用在了负极材料上,此外,负极还对粘结剂、活性材料的分布进行了优化,以改善锂离子在电极和负极活性材料表面的扩散。这样,既提高了电芯的循环寿命,也提高了电芯的快充能力。

C-HR电芯与bZ4X松下电芯寿命对比
2、bZ4X模组的设计

丰田bZ4X的模组构成爆炸图
bZ4X的模组是三明治式的大模组,长度约1186mm。从结构设计上看,这个模组介于传统模组与绑带式大模组之间。它实际上有4个钢带/板,分别是两侧的侧板,上下的绑带。用于紧固模组,为电芯提供预紧力。
这个模组的最大亮点在于它的电芯之间用了两个隔垫:一个是EPDM橡胶的橡胶垫,一个是二氧化硅气凝胶垫。气凝胶垫主要是用于热失控隔热,EPDM则主要用于应对电芯的膨胀力,通过对电芯膨胀力的控制,让电芯处于比较舒服的受力状态,减少内阻的增大,提高电芯的寿命。


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