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解析奔驰EQS NCM811电池系统设计

1、系统简介

奔驰EQS的电芯和模组由宁德时代提供,系统级别由奔驰自己设计和制造。对比EQC和EQA的PACK来看,奔驰的这次集成设计进入到了主流的路线上来,借助于方形电芯的特性,让整个包也保持了相对简洁的布局。主要的组成如下所示:12个模组、上下箱体、底护板(集成水冷)、高压连接及控制。

整个包的可用电量为107.8kWh,这意味着整个包的电量达到了113.5kWh(按95%的可用SOC),或是120kWh(按90%的可用SOC),奔驰在EQS上仍然使用的是400V的平台技术。当前这个电量匹配的是它的高性能版,这也是奔驰首次采用的NCM811方形电芯技术。

2、热失控防护

EQS采用了NCM811电芯,这让它在热失控防护上要有更多的考虑,我们这里重点来看下这个方面的设计。

首先是对热失控的隔断和泄爆,EQS的箱体横向分隔为6个隔间,表明在发生热失控时,奔驰设计的泻爆路径是向电池包的左右两侧,因此,防爆阀对应设计在两侧。而且同一个隔间,防爆阀的位置呈对角布置。

总结来看:当电池包仅有横向加强筋时,防爆结构就需要对应地横向布置,即在两侧,这与Model S/X的理念是一致;整车上看,发生热失控时,火焰和高温气体、熔融物将沿车的门槛梁斜向地面喷发。而当电池包仅有纵向加强筋时,如Model 3/Y,防爆结构就需要布置在纵向方向上,常见的是电池包的后端。

在内部的防火阻燃方面,整个系统层面的设计可以分为3个领域:(1)高低压电气区的热失控,这个区域周圈使用类似云母纸;(2)中央高压连接的热防护,这个区域所进行的这个加强设计,之前在IPACE的电池包解析时就有提到,IPAC这个高压连接是没有这个防护的,这样,当发生热失控时,高压连接(Busbar)很容易被率先破坏,可能造成二次危害。

第三个区域是针对模组的额外热失控防护,这个是结构下图中的模组设计来看。在模组电芯输出极的上方,布置有热失控防护层,这个材料从颜色上看与中央高压连接的热失控类似,可能是同一种材料,类似云母板,主要的功能是绝缘+阻燃。这个方案与CATL给大众MEB的590模组设计基本一致,因为电芯所在的防爆阀在中间(黑色上盖)的下方一列,喷发时,需要对输出色所在的电连接busbar区域进行绝缘和阻燃防护,以免造成二次危害。

这样,中间(黑色上盖)是率先被冲破的结构,相当于模组级的泻放,但在系统层面,如果直接让其释放出来,可能会烧穿上盖,并引高压连接上的二次危害。所以,对其增加一层额外防护设计,让模组出来的热失控喷发瞬间高温被抑制下来,然来顺着横向的导流空间,冲向防爆阀所在薄弱点。

3、模组设计

接着上面的模组热失控,我们继续来看下模组的设计。EQS的模组方案应该是借鉴了大众MEB的590模组。整个模组有18个电芯构成,这样电池系统共计12*18=216个电芯。

它采用的应该是一种无底板设计,这样可以:(1)最大限度的减少Z向高度;(2)进一步降低模组的质量,是轻量化的一种方案;(3)缩短电芯与水冷板的导热路径。

侧板在上、下会设计有折边,这样电芯固定于其间,再利用结构胶,就实现了电芯的固定连接。

这个设计方案可以借助于MEB 590方形电芯模组来了解下。MEB在两侧busbar上方也布置有云母板,模组的底部是黑色的绝缘导热纸膜,粘接在电芯上。

EQS与MEB的模组最大的差别应该在于,前者是正负极在模组的两端,而后者是正负极在模组的一端。对于EQS来说,两端的正负极设计,会让整个模组的busbar更简单些,在成本和工艺上有优势,但模组的连接上会占用更横向的空间;对于MEB,方形590由于需要保持和软包模组一样的设计(LG590在一端出正负极),所以busbar看起来就复杂得多。

4、冷却设计

这是一个值得后面去单独探讨和确认的地方。

从上文的第一图可以知道,EQS有可能将水冷板集成到了底护板上,这与通常集成到下箱体上的方案有所不同。这意味着下箱体和冷板之间还要有一定的导热设计,目前还没有看到。

而在EQS电池系统的生产视频中我们有看到两大块黑色板,覆盖在底部,推测是一种防石击和保温的作用。

模组的导热是常规的,采用U形的挤胶,粘在黑色纸膜上。

EQS让我们看到了奔驰在纯电动领域的一丝欣慰,这个车的对位是Model S 100kWh长续航、保时捷Taycan 、宝马i4、Lucid Air等豪华轿车,所以它在续航上不能落下风,这也是它动用NCM811,电量直奔120kWh的一个重要原因。WTLP 700公里的续航在目前的竞争中处于相对优秀的水平。

这款车对于CATL也有重要意义,不仅是落地了与奔驰的量产车型,同时也是海外首个采用NCM811高镍的车型,这对于宁德保持在高端车型三元电芯领域的领先地位是一个强化。放眼全球,基本形成一个共识,那就是三元将主要在高端车型,中低端车型则会与磷酸铁锂形成激烈的争夺。由于钴的含量必须要降低,所以高镍上三元事实上在走的路线。在这个情况下,系统级别的热失控防护就要承担更多的工作。这从EQS与MEB的对比中也可以看出,奔驰能够在热失控防护成本上有更多的空间。

占据高端车型的市场对于任何电芯企业都有着两重意义:一,意味着更高的利润;二、体现了自己在驾驭高比能电芯上的绝对优势。


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