LFP เดียวกัน แต่แบตเตอรี่ต่างกัน: จุดต่างของ Blade จาก BYD กับชุดแบตเตอรี่ LFP อื่นๆ

วงการรถยนต์ไฟฟ้าตอนนี้เห็นพ้องกันในเรื่องหนึ่ง นั่นคือ LFP (ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต) คือเคมีแบตเตอรี่ที่สำคัญที่สุดของทศวรรษหน้า มันถูก ปลอดภัย และเป็นเหตุผลที่รถยนต์ไฟฟ้าขายได้ในราคาต่ำกว่า 20,000 ดอลลาร์ แต่สิ่งที่หลายคนลืมคือ "LFP" อธิบายเพียงวัสดุขั้วแคโทด — แทบไม่บอกอะไรเกี่ยวกับเซลล์ แพ็ก หรือระบบระบายความร้อนรอบๆ เลย แบตเตอรี่ LFP สองก้อนอาจต่างกันราวกับเฟอร์นิเจอร์แบบแพ็กแบนกับตู้เก็บเอกสาร

แบตเตอรี่ Blade ของ BYD ซึ่งเปิดตัวในเดือนมีนาคม 2020 คือตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดว่ามีวิศวกรรมซ่อนอยู่เบื้องหลังป้ายชื่อนี้มากแค่ไหน เคมีคือ LFP แต่เซลล์ แพ็ก และห่วงโซ่การจัดการความร้อนล้วนถูกออกแบบใหม่ โดยเฉพาะสี่จุดต่างที่แยกมันออกจากเซลล์ LFP ที่ค่ายรถอื่นซื้อมาใช้

LFP ไม่ได้เหมือนกันทุกก้อน: อิเล็กโทรไลต์และสูตร

เซลล์ปริซึม LFP ของคู่แข่งทั่วไป — เซลล์ CATL 302 Ah LiFePO₄ แรงดัน 3.2 V เช่นเดียวกับเคมีแคโทดของ Blade BYD แต่เซลล์ สูตร และกระบวนการผลิตต่างกัน (ภาพ: Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0, Aeroid)

LFP หมายถึงวัสดุแอคทีฟของแคโทดคือลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ความคล้ายคลึงสิ้นสุดลงตรงนั้น ภายในเซลล์ที่ผลิตเสร็จ แคโทดเป็นเพียงหนึ่งในส่วนผสมหลายอย่าง เกลืออิเล็กโทรไลต์ สัดส่วนตัวทำละลาย สารเติมแต่ง สารเคลือบเซพาเรเตอร์ สารยึดเกาะ และสูตรแอโนดล้วนเป็นสูตรเฉพาะของแต่ละค่าย แต่ละผู้ผลิตปรับแต่งเพื่อแลกเปลี่ยนที่แตกต่างกัน — ความหนาแน่นพลังงาน ประสิทธิภาพอุณหภูมิต่ำ อายุรอบชาร์จ การบวมตัว และต้นทุน

เซลล์ Blade ของ BYD ถูกออกแบบให้บางและยาวมาก — หนาราว 13.5 มม. และยาวกว่า 900 มม. รูปทรงแบบนี้เป็นบททดสอบที่โหดร้ายสำหรับอิเล็กโทรไลต์ เซลล์บางมีพื้นที่รองรับการบวมน้อยกว่า ทนต่อแก๊สได้น้อยกว่า และมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่แย่กว่า ดังนั้นสูตรเบื้องหลัง Blade จึงไม่ใช่สูตร LFP ทั่วไป แต่เป็นสูตรหนืดต่ำ ทนการบวม อายุรอบยาว ที่ออกแบบมาเฉพาะให้อยู่ในรูปทรงเรขาคณิตนี้ คุณจะไม่พบสูตรนี้ในเอกสารข้อมูลของ CATL หรือ EVE เพราะรูปทรงของเซลล์บังคับให้ต้องออกแบบเคมีต่างออกไป

นี่คือความหมายแรกของ "LFP ของ BYD" ที่เป็นแบตเตอรี่ที่ต่างกัน: ฉลากเคมีเดียวกัน แต่ของเหลวภายในไม่เหมือนกัน

แบบซ้อนทับ ไม่ใช่แบบม้วน

แผนภาพเปรียบเทียบกระบวนการผลิตเซลล์สองแบบ: การซ้อนชั้น (ซ้าย) สร้างเซลล์บางและยาวจากแผ่นอิเล็กโทรดที่ซ้อนกัน ในขณะที่การม้วน (ขวา) ม้วนแถบอิเล็กโทรดต่อเนื่องเป็น 'jelly roll' ภายในแเคสทรงเหลี่ยม(Diagram: EV & Auto Club)

ในยุค LFP ส่วนใหญ่ เซลล์ถูกผลิตด้วยวิธีม้วน แคโทด เซพาเรเตอร์ และแอโนดออกมาจากสามม้วน ประกอบเป็นเจลลี่โรลยาว แล้วก็อัดแบนเป็นแบบถุงหรือยัดใส่ภาชนะปริซึมแข็ง การม้วนทำได้เร็ว และเป็นวิธีที่ผู้ผลิตเซลล์จีนส่วนใหญ่ — รวมถึง CATL, EVE และ Gotion — ยังคงใช้ผลิตเซลล์ LFP ในระดับอุตสาหกรรม

เซลล์ Blade ไม่ได้ม้วน แต่ซ้อนทับ

เครื่องซ้อนชั้นวางแผ่นอิเล็กโทรดทับกันทีละชั้น โดยมีเซพาเรเตอร์คั่นระหว่างแต่ละชั้น เมื่อเทียบกับเจลลี่โรล วิธีนี้ให้ข้อดีสี่อย่าง:

• ความสม่ำเสมอ ทุกชั้นได้รับแรงดัน เส้นทางกระแส และหน้าต่างปฏิกิริยาเดียวกัน เซลล์แบบม้วนจะแน่นกว่าเล็กน้อยด้านในโค้งและหลวมกว่าเล็กน้อยด้านนอก ทำให้ความสม่ำเสมอระหว่างเซลล์แย่ลงโดยธรรมชาติ
• อายุการใช้งาน เซลล์แบบม้วนเกิดความเค้นที่ส่วนโค้งของเจลลี่โรลเมื่อชาร์จและคายประจุ ความเค้นนี้ทำให้เกิดความล้าของวัสดุตลอดหลายพันรอบ เซลล์แบบซ้อนทับไม่มีส่วนโค้ง เซลล์ Blade ถูกจัดอันดับที่ 3,000–4,000 รอบเต็ม ซึ่งสูงกว่าค่าเฉลี่ย 2,000 รอบของเซลล์ LFP แบบม้วนในยุคเดียวกันมาก
• ความหนาแน่นพลังงานระดับเซลล์ เพราะการซ้อนทับกำจัดพื้นที่ตายจากความโค้ง จึงบรรจุวัสดุแอคทีฟลงในปริมาตรเดียวกันได้มากขึ้น ตัวเลขอย่างเป็นทางการของ BYD สำหรับ Blade อยู่ที่ราว 180 Wh/kg — แข่งขันได้กับเซลล์ NCM แบบม้วนยุคเดียวกัน
• พฤติกรรมความร้อน การกระจายกระแสที่ราบเรียบและสม่ำเสมอหมายถึงความร้อนที่เกิดสม่ำเสมอ ไม่มีจุดร้อนตามส่วนโค้งของเจลลี่โรล

สรุปคือ LFP เดียวกัน แต่เซลล์ถูกสร้างเป็นชั้นซ้อน ไม่ใช่ม้วน — และการออกแบบทั้งหมดที่ตามมา (ความสม่ำเสมอ อายุใช้งาน ความหนาแน่นพลังงาน และความร้อน) ล้วนตามมาจากการตัดสินใจเรื่องกระบวนการเพียงอย่างเดียว

ภาพชุดแบตเตอรี่ BYD Blade ที่ถูกแยกชิ้นส่วนออก แสดงเซลล์ LFP แบนและยาวเรียงซ้อนกัน มองเห็นแผ่นอลูมิเนียมด้านข้างและบัสบาร์ระหว่างเซลล์(ภาพ: รายงานการแยกชิ้นส่วนจาก Tencent Auto)

ไม่มีโมดูล: cell-to-pack และ cell-to-body

แพ็ก EV แบบดั้งเดิมสร้างจากสามชั้น: เซลล์ จากนั้นโมดูล จากนั้นแพ็ก โมดูลคือกล่องโลหะที่บรรจุเซลล์หลายเซลล์แบบอนุกรมและขนาน แพ็กคือกล่องใหญ่ที่บรรจุโมดูล โครงสร้างโลหะ สายไฟ บัสบาร์ และท่อระบายความร้อนถูกซ้อนรอบเซลล์ — และส่วนซ้อนนี้มักกินพื้นที่ 40–50% ของปริมาตรแพ็ก โดยไม่เก็บพลังงานใดๆ

BYD คือผู้ผลิตรายแรกที่ทำให้ cell-to-pack (CTP) เชิงพาณิชย์ในวงกว้างด้วยเซลล์ Blade ไม่มีโมดูล ใบมีดยาวแบนถูกจัดวางตรงในแพ็ก โดยตัวเรือนอะลูมิเนียมและแผ่นปิดคอมโพสิตทำหน้าที่เป็นโครงสร้าง อัตราการใช้ปริมาตรเพิ่มจากช่วง 40–50% เป็นราว 60% ขึ้นไป ซึ่งเป็นเหตุผลหลักที่แพ็ก Blade ทำความหนาแน่นพลังงานเทียบเท่าแพ็ก NCM แบบม้วนได้ทั้งที่ยังใช้เคมี LFP

จากนั้น BYD ก้าวต่อไปอีกขั้น ในรถยนต์ e-platform 3.0 ที่เริ่มจาก Seal ในปี 2022 แพ็กไม่ใช่กล่องแยกที่ยึดใต้พื้นอีกต่อไป แต่เป็นชิ้นส่วนโครงสร้างของตัวถัง เรียกว่าcell-to-body (CTB): ด้านบนของแพ็กกลายเป็นส่วนหนึ่งของพื้น ราวข้างของแพ็กเชื่อมเข้ากับโครงสร้างกันกระแทก และทั้งแพ็กช่วยให้ตัวถังต้านทานการบิดงอ ผลลัพธ์คือพื้นต่ำลงและเรียบขึ้น ห้องโดยสารกว้างขึ้น ความแข็งแรงต้านแรงบิดดีขึ้น และกระบวนการผลิตเรียบง่ายและเบาลง

BYD Seal ปี 2022 — รถยนต์ผลิตจริงคันแรกบน e-platform 3.0 ของ BYD ที่ใช้สถาปัตยกรรม cell-to-body (CTB) ซึ่งแพ็กแบตเตอรี่ Blade ถูกผสานเข้ากับพื้นรถในฐานะส่วนรับน้ำหนักของตัวถัง (ภาพ: Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0, User3204)

นี่คือความแตกต่างเชิงโครงสร้างข้อที่สอง แพ็ก LFP อื่นๆ — รวมถึง CTP 3.0 ที่ยอดเยี่ยมของ CATL และแพ็ก Qilin ของ CATL — ตามทันในแง่ CTP แล้วเกือบหมด แต่แทบไม่มีใครก้าวไปสู่ CTB ในวงกว้าง เพราะการทำ CTB หมายถึงการออกแบบตัวถังและแบตเตอรี่ร่วมกัน สิ่งนี้จะทำได้ในต้นทุนต่ำก็ต่อเมื่อเป็นผู้ผลิตที่ผลิตเซลล์ แพ็ก และตัวถังรถเองทั้งหมด การบูรณาการแนวตั้งที่นี่ไม่ใช่สโลแกน แต่เป็นเงื่อนไขที่ทำให้สถาปัตยกรรมนี้เกิดขึ้นได้

การจัดการความร้อน: ระบายความร้อนด้วยสารทำความเย็นโดยตรง

ความแตกต่างสุดท้าย และอาจถูกมองข้ามมากที่สุด คือเรื่องความร้อน LFP ขึ้นชื่อว่าทนอุณหภูมิสูง แต่ก็ขึ้นชื่อว่าไม่ทนต่อความไม่สม่ำเสมอของอุณหภูมิ แพ็กที่บางเซลล์อยู่ที่ 35°C และบางเซลล์อยู่ที่ 45°C จะเสื่อมเร็วกว่าแพ็กที่ทุกเซลล์อยู่ที่ 40°C พอดีมาก กล่าวคือ ระบบจัดการความร้อนเป็นตัวตัดสินว่าแบตเตอรี่จะอยู่ได้นานแค่ไหน

แพ็ก LFP ส่วนใหญ่ในอุตสาหกรรมใช้หนึ่งในสองแนวทาง:

• ระบายความร้อนด้วยอากาศ พัดลมเป่าลมในห้องโดยสารหรืออากาศโดยรอบผ่านเซลล์ ถูกและง่าย แต่หยาบ ใช้ในไมโคร EV ระดับเริ่มต้นและแพ็กรุ่นแรกๆ
• ระบายความร้อนด้วยของเหลว (ทางอ้อม) วงจรน้ำ-ไกลคอลไหลผ่านแผ่นเย็นใต้หรือระหว่างเซลล์ แผ่นเย็นไม่สัมผัสสารทำความเย็นโดยตรง แต่ใช้ชิลเลอร์ถ่ายเทความร้อนระหว่างน้ำหล่อเย็นกับสารทำความเย็นของแอร์ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่แยกต่างหาก นี่คือแนวทางหลักของ EV สมัยใหม่ส่วนใหญ่ — Tesla, Volkswagen, Hyundai และแพ็กส่วนใหญ่ที่ CATL จัดหาให้ล้วนใช้การระบายความร้อนด้วยของเหลวทางอ้อมรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง

แพ็ก Blade ของ BYD ทำต่างออกไป เพราะ BYD ผลิตคอมเพรสเซอร์ไฟฟ้า ระบบปั๊มความร้อน และแผ่นทำความเย็นแบตเตอรี่เอง บริษัทจึงตัดวงจรทุติยภูมิทิ้งได้: สารทำความเย็นจากระบบแอร์ระเหย โดยตรง ในแผ่นทำความเย็นใต้เซลล์ วิธีนี้เรียกว่า การระบายความร้อนด้วยสารทำความเย็นโดยตรง (ภาษาจีน "冷媒直冷") ไม่มีตัวกลางน้ำ-ไกลคอลฝั่งแบตเตอรี่ ไม่มีชิลเลอร์ ไม่มีปั๊มตัวที่สอง ระบบตอบสนองเร็วกว่า เบากว่า และดึงความร้อนออกได้มากกว่าในอัตรา C สูง — ซึ่งเป็นภาวะที่การชาร์จเร็ว LFP เริ่มลำบากพอดี

ฮาร์ดแวร์จัดการความร้อนแบตเตอรี่ — ชุดหน่วยทำความเย็นแบตเตอรี่แบบบูรณาการ ซึ่งเป็นระบบย่อยที่ BYD ออกแบบและผลิตเอง ประกอบกับคอมเพรสเซอร์และปั๊มความร้อนของตัวเอง เพื่อให้เกิดการระบายความร้อนด้วยสารทำความเย็นโดยตรงบนแพ็ก Blade (ภาพ: Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0, Tank.xing)

การบูรณาการแนวตั้งแบบเดียวกับที่ทำให้ CTB เป็นไปได้ ก็ทำให้การระบายความร้อนโดยตรงเป็นไปได้เช่นกัน: คอมเพรสเซอร์ ปั๊มความร้อน แผ่นทำความเย็น และซอฟต์แวร์จัดการแบตเตอรี่ ล้วนถูกพัฒนาขึ้นในวงจรวิศวกรรมเดียวกัน ผลลัพธ์ไม่ใช่แค่ชาร์จเร็วขึ้นหรือประสิทธิภาพอุณหภูมิต่ำดีขึ้น แม้ทั้งสองจะเกิดขึ้นจริง แต่คืออุณหภูมิแพ็กที่สม่ำเสมอขึ้น ซึ่งสำหรับเซลล์ LFP ที่อยู่รอดหรือพังด้วยความสม่ำเสมอนั้น แปลโดยตรงเป็นอายุรอบชาร์จที่ยาวขึ้น

บทสรุป

LFP คือ LFP ที่แคโทด ทุกอย่างอื่น — สูตรอิเล็กโทรไลต์ กระบวนการผลิต สถาปัตยกรรมแพ็ก และห่วงโซ่ความร้อน — คือวิศวกรรม และนั่นคือจุดที่ BYD เลือกแข่งขัน ซ้อนทับแทนม้วน Cell-to-pack แล้วก็ cell-to-body ระบายความร้อนด้วยสารทำความเย็นโดยตรงแทนอากาศหรือของเหลวทางอ้อม สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เกิดจากแคโทดที่ดีกว่า เพราะแคโทดคือสินค้าโภคภัณฑ์ชนิดเดียวกัน แต่เกิดจากบริษัทที่สามารถออกแบบเซลล์ แพ็ก ระบบระบายความร้อน และตัวถังรถร่วมกันได้ เพราะมันผลิตทั้งหมดเองในบริษัท

นั่นคือเหตุผลที่แบตเตอรี่ LFP สองก้อน ที่ขายอยู่เคียงข้างกันในสเปกชีต อาจกลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันมากในโรงรถของเจ้าของรถสิบปีต่อมา