LG 電芯
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-10
LG 電芯的實例教程
動力電池是由多個電芯堆積而成，電芯先打包成模組，然后再組合成整個電池包。電池包里面除電芯之外，還有安全開關、繼電器、保險絲、主動冷卻和加熱設備、電池控制器（BMS）等。
電芯按形狀分成3種：圓柱形電芯、方形電芯和軟包電芯。如圖12，特斯拉 Model S 使用18650圓柱型電芯，大眾汽車使用三星方形電芯，奧迪則采用了LG軟包電芯，均為立式放置。
圖12 從左到右分別是：大眾、奧迪和特斯拉的電池模組
動力電池包的高度主要由電芯高度決定。在電芯高度方向還要布置水冷板、絕緣隔熱材料和上下殼體結構，所以電池包的高度一般比電芯高度高40-60mm，例如特斯拉Model S所使用的圓柱電芯高度為65mm，電池包整體高度則是110mm。
因此，動力電池電芯形式和尺寸對整車架構設計相當重要，應作為前期設計中的關鍵參數，由主機廠和電池廠家根據車輛布局、電芯通用性和多車型適應性在早期進行規劃。如三星根據不同主機廠的要求，開發了不同尺寸的方形電池。LG則嘗試采用不同的電芯堆疊方式，以適應不同車型，如圖13，因為電芯電極位置不同，對散熱方式有不同要求。
圖13 LG化學用不同的電芯堆疊方式來實現不同的電池包高度
8 動力電池的布置
在電動汽車的發展歷史上，除了車頂，幾乎所有位置都安裝過動力電池。最早的電動汽車將電池安裝在后備箱，如圖14所示。這種布置方式可以不更改地板，在車身座椅后面焊接支架即可，能大幅節省開模費用。
展開 圖3 通用的準備金
這個事件的處理進展和現代召回處理Kona EV如出一轍，最終也是花了9億美金（大部分是LG來出）。
圖4 現代的Kona EV召回
當下的局面是：
SDI之前的PHEV出問題要召回（BMW和Ford），全部更換pack
LG在現代和通用的項目上全部召回，軟件處理（限制SOC使用的上限）不了時再全部進行更換
所以本質來說，如果電芯在用戶使用過程中出現問題，必然的結果就是召回，軟件處理只能減緩這個過程，但是在嚴格的考量體系下，最終還是召回一條路。
二、通用的下一步計劃
和現代汽車一樣，通用召回是為了處理之前的問題，Bolt EV和Bolt EUV后續每個季度從2020年Q2的2500臺，目前已經上升到2021年的1.13萬臺，通用下一步要投資350億美金來搞電動汽車。
圖5 北美的加速電動化，通用首當其沖
從電池工廠來看，一共要建立四個電池工廠，從產能來看單個30GWh，將來可能擴充到120GWh。
圖6 通用的電池工廠的投資非常大
這么多電池，主要還是由于皮卡和大型的SUV的需求特別多，按照100-200kWh的折算，10萬200kwh的皮卡臺就能干掉20GWh。
圖7 純電動皮卡工廠是消耗電池的大戶
小結：我覺得通用召回有問題的電芯這件事情，給我們的提示有幾個：
電池出問題最終能解決問題的方案還是替換電池，這錢主要是電池企業承擔；如果車的保有量大了，替換和更新將是一筆很大的費用。最后，車企想要進一步提高滲透率往大規模來做，一定要對電池企業進行管理，該出錢合作還是出錢。
展開 圖1 松下從1865、2170和4680的迭代
Part 1 4680帶來的能量提升
某廠家4680電芯規格（目前估算為0.65元每瓦時，應該比21700低一些）
石墨+高鎳：26Ah，能量密度283wh/kg
硅碳+高鎳：30Ah，能量密度300wh/kg
與之做對比的是，松下早期的NCA的能量密度是254.8 Wh/kg，LG的811電芯的能量密度是248Wh/kg。
圖2 特斯拉的4680和21700的差異在點電量差異比較大
21700：4個模組，4400多個電池，能量密度170wh/kg
46800：無模組，960個電池，能量密度215wh/kg
在特斯拉的傳統方案中，21700一般有4個模組，兩個大模組，兩個小模組， 21700電池重量大概是312公斤，使用4400多個電池。
4680是900多個電池一起排列，沒有模組，結構件重量只有12公斤。4680有336公斤，因為它是960個電池。4680大概只有90公斤，因為它在BMS上有一些優化。電池包的重量，21700是474公斤，4680大概只有438公斤左右。21700pack是170wh/kg，4680是215wh/kg。
備注：這個數據是從特斯拉來的，實際我們都也沒見過，實在高得離譜，我個人覺得已經超過我的想象。
按照調研的結果，這個國內版本的4680電芯，正極材料采用811三元高鎳體系，負極是人造石墨（隨著開發的進一步發展，可能會向硅負極轉化）。
電芯工作電壓為2.8V-4.2V，設計的快充時間是20分鐘充電至80%，單個電芯重量約為355克，1/3 C循環壽命可以做到1500度循環（80%容量保持率）。
展開 現代的平臺敏捷開發
現代下一代的電池系統標準化為9種，由鋰電池單體(cell)、電池組(Batteries)和電池包(pack) 階段組成的電池工藝，除了增加模塊比例以提高能量密度外，已經改為cell-to-pack的方式，CTC直接將電芯和底盤上進行集成的工藝也在考慮。從400和800V的角度考慮，eM系列全部采用800V，分為性能版本和基礎版本，前者只有三元的方案，后者同時包含三元和磷酸鐵鋰版本，只有eS系列才有400V的系統。通過新的設計，計劃到2030年電池能量密度比2021年提升50%，成本降低40%。電機成本降低35%，重量減輕30%。
▲圖4. 現代的電池系統
和LG的合資電芯廠能供應10GWh，然后未來50%的下一代電池在2025年以后都會從合資電芯廠采購，想要打開市場也會采購鐵鋰和三元電芯（這也是現代為什么要采購中國電芯的道理）。在投資層面，主要投資下一代電芯技術和固態電池，通過全球創業的企業積累。現代2030年需要170GWh，其實算一算特斯拉2022年一家大概需要110GWh，這個需求上升還是比較慢的。
備注：現在投先進電池創業企業要擔心，車企合作的持續性和落地的形式。
▲圖5. 現代的電池采購和投資策略
和現代相似，KIA對動力電池的需求量在2030年將達到119GWh。電芯方面，在2025年切換至5代電芯；2030年電芯的成本較2022年有40%的下降空間。電芯產能供應目前已鎖定的產能約13GWh，2026和2030年的69GWh/119GWh，將通過合資企業或本地采購來完成。從目前來看，也是開放式的采購來實現降本（我覺得現在是很難做到了）。
▲圖6.
展開 備注：The Tesla Powerwall 2 is experiencing small jumps in SOC at the end of the discharge cycle (7% to 0%) and the start of the charge cycle (0% to 9%) but this does not impact cycling
圖2 特斯拉Power wall2 的實際測試數據概覽
特斯拉的Power Wall2產品要比LG的軟包儲能電池好一些，在1500個循環以后，LG的三元軟包電芯基本已經往82%左右靠近了。如果按照這個線性外推的，大概在3330個循環以后達到60%的容量。
圖3 LG 的儲能電池的測試狀態
在第二階段測試中，上海派能能源科技（PYLONTECH）的US2000B 是表現最好的，大概在2300個循環到80%，按照估算在4,470次循環中到60% 的容量。
圖4 派能的測試結果
這是第二階段主要的三個產品的擬合情況概覽，整體的衰減速度有一個明確的曲線。
圖5 第二階段測試的擬合情況概覽
二、第三階段的測試結果
在第三階段測試結果中，出現了非常神奇的數據，說明有些產品可能藏電了。
在100-500個循環中，包括DCS、Zenaji、FIAMM都跑上100%的容量，往上走了。在所有的產品里面，sonnenBatterie這家用的也是鐵鋰的產品（供應商是索尼？），曲線擬合下到60%可以有14370個循環。
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現代的電池系統
和LG的合資電芯廠能供應10GWh，然后未來50%的下一代電池在2025年以后都會從合資電芯廠采購，想要打開市場也會采購鐵鋰和三元電芯（這也是現代為什么要采購中國電芯的道理）。在投資層面，主要投資下一代電芯技術和固態電池，通過全球創業的企業積累。現代2030年需要170GWh，其實算一算特斯拉2022年一家大概需要110GWh，這個需求上升還是比較慢的。
Part 1
Pacifica Hybrid的電池設計
這個電池系統總共16kWh，如下圖所示，這是LG產品序列下標準電芯P2.X系列，主要的用戶包括GM、Volvo、Stellantis（北美和歐洲都用）。
同時，搭載了空氣懸架，LG化學的21700電芯+自研電池包，電池管理系統等。
筆者發現類似特斯拉、Rivian等這些受市場熱捧的公司，電池包或者電池周邊設計基本上都是自研，如特斯拉把電池成本控制到了極致，而Rivian把電芯放在自研電池包里，然后封裝到碳纖維材料的底盤內，主打防水和減重。
圖1 松下從1865、2170和4680的迭代
Part 1 4680帶來的能量提升
某廠家4680電芯規格（目前估算為0.65元每瓦時，應該比21700低一些）
石墨+高鎳：26Ah，能量密度283wh/kg
硅碳+高鎳：30Ah，能量密度300wh/kg
與之做對比的是，松下早期的NCA的能量密度是254.8 Wh/kg，LG的811電芯的能量密度是
的三元軟包電芯基本已經往82%左右靠近了。
但是最近發生一個如鯁在喉的事情，就是在美國通用起亞、韓國現代起亞分別花費8億美金和9億美金來召回LG 的電芯的。有兩個共同點：
這兩家車企都是先嘗試使用軟件升級來處理問題，失敗以后只能替換舊電池；
兩家車企召回的目的，都是為了先解決歷史遺留問題，建立用戶信心，以便應對將來的市場競爭。
如圖12，特斯拉 Model S 使用18650圓柱型電芯，大眾汽車使用三星方形電芯，奧迪則采用了LG軟包電芯，均為立式放置。
圖12 從左到右分別是：大眾、奧迪和特斯拉的電池模組
動力電池包的高度主要由電芯高度決定。
