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隨著動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車的產(chǎn)品配合越來(lái)越深入，電池應(yīng)該如何最優(yōu)化，如何適應(yīng)更多的車用動(dòng)力電池場(chǎng)景——圍繞著這些思考，動(dòng)力電池在形態(tài)上出現(xiàn)了幾個(gè)明顯趨勢(shì)：
圖1.松下電池業(yè)務(wù)的發(fā)展
首先是電芯的尺寸和容量變大：不僅是圓柱，軟包和方殼，都是越來(lái)越大。
圓柱電池：是從18650，到21700，再到4680演進(jìn)。
方形電池：從原來(lái)的VDA尺寸（148*26.5*91mm），變得越來(lái)越“寬、厚”。
軟包電池：也是從適用VDA模組（長(zhǎng)度300mm），到MEB的590模組（長(zhǎng)度500mm+），還有繼續(xù)往大軟包發(fā)展的趨勢(shì)。
從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)也在不斷簡(jiǎn)化，尤其是電池設(shè)計(jì)開(kāi)始走向CTP和CTC之后。我們本文重點(diǎn)來(lái)講講軟包電池尺寸的規(guī)格變化。
軟包電池的尺寸規(guī)格
從產(chǎn)線和設(shè)計(jì)來(lái)看，軟包電池的尺寸和體積靈活多變，可根據(jù)不同車型空間、底盤(pán)需求進(jìn)行定制，為未來(lái)純電動(dòng)汽車整車布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供方便。因此在歷史上，第一個(gè)階段，主要是由通用汽車和日產(chǎn)汽車分別來(lái)定義電池尺寸。
- 定制性電芯階段——通用和日產(chǎn)
最早軟包電池的應(yīng)用是在2010年左右，典型的車型是GM的Volt和日產(chǎn)的LEAF，都是采用了單端出極耳的方形軟包電池，具體的電芯和電池包設(shè)計(jì)如下。這兩種規(guī)格的電池一直沿用了很長(zhǎng)的時(shí)間，包括現(xiàn)在銷售的LEAF還在使用這種規(guī)格的電池。
▲圖2.第一代軟包電池的規(guī)格
- VDA的尺寸規(guī)格和590的進(jìn)化規(guī)格
隨著模組通用化的需求，在電芯的尺寸往VDA標(biāo)準(zhǔn)尺寸、390模組和590模組適應(yīng)的過(guò)程中，衍生出單端出極耳的方式。這個(gè)時(shí)候電芯被豎起來(lái)使用，在整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是圍繞類似方殼電池模組的方向來(lái)迭代，但這也限制了軟包電池的發(fā)展。
▲圖3.VDA時(shí)代的軟包電芯
軟包電池的優(yōu)缺點(diǎn)：將來(lái)的方向是大電池么
對(duì)于軟包電池來(lái)說(shuō)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，一定是需要做成能匹配車型設(shè)計(jì)的，它的最大優(yōu)勢(shì)就是尺寸靈活，可以做成各種形狀。而制造標(biāo)準(zhǔn)化方面，可以更好地實(shí)現(xiàn)柔性設(shè)計(jì)。所以在思考什么樣的軟包電芯尺寸可能更好，一定是從汽車的本身需求出發(fā)，在這里孚能科技提出了一種解決方案，我覺(jué)得是很有參考的價(jià)值。
我們可以對(duì)比一下尺寸參數(shù)：
LG PHEV電池 177*127*
AESC BEV電池 290*216*7.1mm
VDA BEV電芯301*100*14.3mm
孚能科技設(shè)計(jì)的軟包電芯長(zhǎng)度范圍涵蓋400-800mm，寬度涵蓋150-300mm，厚度涵蓋8-20mm，也就是電芯是可以自由組合的模式。
▲圖4.軟包電池的尺寸范圍
尺寸如何做到與效率的平衡，比較成熟的方向還是圍繞軟包大電芯的方向，把電芯做得更長(zhǎng)和更寬，這樣有助于整體的設(shè)計(jì)和布置。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來(lái)看，通過(guò)尺寸的重新調(diào)整帶來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善，效果是很明顯的。
▲圖5.軟包電池尺寸帶來(lái)的結(jié)果調(diào)整
在保持電池系統(tǒng)底盤(pán)尺寸不變的情況下，孚能科技SPS可以通過(guò)調(diào)節(jié)臥式布置的大軟包電芯厚度，靈活調(diào)節(jié)電池系統(tǒng)的底盤(pán)高度，即同款底盤(pán)、一款電芯就可適配全系乘用車型。電芯厚度的變化讓SPS的底盤(pán)高度能夠在85mm到145mm之間靈活配置，搭載不同能量密度的大軟包電芯讓電池系統(tǒng)擁有從80kWh到150kWh的不同帶電容量。
▲圖6.電池尺寸和模組設(shè)計(jì)意圖
孚能科技軟包SPS電池規(guī)格方向
實(shí)際上，一家汽車企業(yè)如果覆蓋所有的車型做純電動(dòng)，存在幾個(gè)棘手的問(wèn)題：
電池包的尺寸和平臺(tái)化必須要考慮
電量的覆蓋需要比較均衡，也就是比較全
在電池里面內(nèi)部要進(jìn)行系統(tǒng)的考慮
所以才會(huì)有對(duì)電池系統(tǒng)從50-150kWh這種功率全部覆蓋的要求，而軟包電池可以從長(zhǎng)度、厚度和寬度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)解決這些問(wèn)題。
▲圖7.電池的梯度需求
- 電池尺寸設(shè)計(jì)優(yōu)化
孚能科技的軟包電芯的設(shè)計(jì)，整個(gè)尺寸是靈活的（長(zhǎng)400-800，寬度150-300，厚度8-20），因此可以開(kāi)始導(dǎo)入CTP的設(shè)計(jì)模式。從國(guó)外來(lái)看，LG和SK On等電池廠商的技術(shù)路線，都是從原來(lái)的模組概念往去模組方向發(fā)展。
不同的設(shè)計(jì)思路體現(xiàn)到產(chǎn)品上有很大的差異。
▲圖8.SPS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨勢(shì)
- 模組結(jié)構(gòu)帶來(lái)的尺寸效率
堆疊的模式帶來(lái)的效率的差異化，我們看到孚能科技給出來(lái)的體積利用率是75%。
體積利用率=X方向利用率*Y方向利用率*Z方向利用率。
X方向利用率：這里主要是長(zhǎng)條出Tab的方向，如果控制好可以實(shí)現(xiàn)90%的利用率。
Y方向利用率：主要是判斷長(zhǎng)條設(shè)計(jì)之間的間隔，也按照90%來(lái)估算，因?yàn)槌叽绫容^長(zhǎng)，所以空間是比較好設(shè)計(jì)的。
Z方向利用率：這個(gè)參數(shù)，對(duì)圓柱和方殼而言，一般是比較低的，由于加了散熱結(jié)構(gòu)板，這里還需要扣除結(jié)構(gòu)支撐等的厚度，利用率估計(jì)在92%以上。
所以從目前發(fā)展的趨勢(shì)上來(lái)看，想要提高利用率，就一定要在Z方向上面做文章。在SPS的設(shè)計(jì)上，整個(gè)把軟包設(shè)計(jì)之前最大的缺陷給補(bǔ)上了，這點(diǎn)還是很了不起的，充分發(fā)揮了軟包柔性的特點(diǎn)。另外電芯尺寸變大，總的串并聯(lián)數(shù)變少，可以節(jié)省一些傳統(tǒng)模組的結(jié)構(gòu)件和連接設(shè)計(jì)。
▲圖9.成組體積效率估算
電芯尺寸規(guī)格大了以后，有哪些難度，大制造如何走？
在刀片電池領(lǐng)域，我們看到對(duì)疊片的精度有較高要求——對(duì)齊精度不夠高的話，會(huì)影響電池的最終性能。
同樣，大軟包電池對(duì)制造的要求也是提高的。因此升級(jí)了電池制造以后，整個(gè)工藝的調(diào)整是很關(guān)鍵的，這并不容易做。從行業(yè)的發(fā)展來(lái)看，不少企業(yè)在不斷改進(jìn)疊片技術(shù)，比較挑戰(zhàn)的路徑是采用極片熱復(fù)合與多片疊融合技術(shù)，將隔膜與極片提前粘接、裁切，解決了疊片過(guò)程隔膜張力釋放造成褶皺問(wèn)題。
▲圖10.大軟包方向下電芯制造的改變
另外如何解決疊片的效率方面，行業(yè)里面在嘗試使用多刀切與多片疊技術(shù)，并且在疊片機(jī)方面整機(jī)集成了極片放卷、裁切、熱復(fù)合、多片飛疊、熱壓功能，通過(guò)縮短了極片卷料到疊片之間的片料轉(zhuǎn)運(yùn)，來(lái)降低極片裁切到疊片間的加工精度誤差，保證了熱壓后的極組極片間處于穩(wěn)定粘合狀態(tài)。
而且在制造端，通過(guò)集成CCD缺陷和尺寸檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)提升了產(chǎn)品缺陷檢測(cè)能力，保證疊片過(guò)程中對(duì)齊度不良可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、不良剔除。這也為軟包電池尺寸提升給了實(shí)質(zhì)性的路徑。
小結(jié)：從全球來(lái)看，電芯都是在往巨大化發(fā)展，這一方面是為了制造效率，同時(shí)也是考慮到整包的成組率和降低成本的要求。在鋁塑膜國(guó)產(chǎn)化之前，軟包電芯在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)一直處在較為弱勢(shì)的位置。但隨著國(guó)內(nèi)材料生產(chǎn)的進(jìn)步，以及軟包技術(shù)的不斷積累，以孚能科技為代表的大軟包電芯的技術(shù)路徑也是做大尺寸，并在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化。這個(gè)路徑的發(fā)展步調(diào)與方殼、圓柱電池是保持一致的。
我們期待孚能科技的SPS能真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，與另外兩種路線分庭抗禮，成為動(dòng)力電池主流的技術(shù)方案之一。隨著SPS方案細(xì)節(jié)的逐步呈現(xiàn)，我們的確看到這已經(jīng)是一種非常重要的方向，值得長(zhǎng)期觀察。
