鉅大LARGE | 點擊量：1717次 | 2020年03月31日
解碼比亞迪刀片電池
其實（類似于）刀片電池的長電芯-簡化模組思路，在汽車業(yè)內(nèi)已經(jīng)受到大家的重點關(guān)注有一段時間了，而比亞迪的刀片電池可以說是在這方面創(chuàng)新的一個集中體現(xiàn)。
不管是比亞迪的刀片電池，還是寧德時代的CTP（cell-to-pack，單體電芯到電池包）技術(shù)，他們是有共性的，即：傳統(tǒng)上的電池包要層層集成電芯cell-模組module-電池包pack三級，而通過刀片/CTP技術(shù)可以減少模組級的結(jié)構(gòu)件，并極大的簡化電池包上的裝配支撐結(jié)構(gòu)，使得整個電池包結(jié)構(gòu)明顯簡化，從而形成了近似于電芯-電池包的兩級集成方法。與三級集成方法相比，在體積上提高50%集成效率是有可能的。
所以傳統(tǒng)電池包內(nèi)部一般長的是什么樣子？
1）首先咱們先看一下電芯集成的模組
從以下兩圖，不難看出不論是基于方形還是軟包電芯的模組，其都包括了許多結(jié)構(gòu)件，比如低壓線束、端側(cè)板等（都有簡化的可能），因此C-M（電芯到模組）的質(zhì)量集成效率常常有90%左右。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
而體積集成效率可以進(jìn)行簡單估算：355模組的尺寸是：355*151*108，假如是基于方形電芯構(gòu)成的話其包括12個148*91*28的電芯。通過計算電芯總體積/模組總體積，可以得到C-M（電芯到模組）體積集成效率大約為78%，注意了，大有提升潛力空間哦。
典型軟包電芯模組示意圖，摘自沐風(fēng)網(wǎng)
典型方形電芯模組示意圖，摘自沐風(fēng)網(wǎng)
2）再看一般電池包的結(jié)構(gòu)
目前市面上常見的電池包很多基于小模組（比如355）+電池包內(nèi)各種固定件、支撐件得來，模組結(jié)構(gòu)件+高壓連接+線束+固定件+支撐件+其它件當(dāng)然占據(jù)了相當(dāng)多的體積和質(zhì)量，所以集成效率不會太高，大家都希望可以進(jìn)一步的提高集成效率，在有限的質(zhì)量和空間中達(dá)到更高的電池包能量。
在這里要大家注意，關(guān)于動力鋰電池（包）來說，體積能量密度其實更重要，因為乘用車的底盤空間有限，不能容納一個體積很大（尤其是z軸高度很高，在這里給z軸方向劃重點）的電池包。越是關(guān)于底盤偏矮的轎車/跑車這個要求越突出（低矮的車更“性感”，符合當(dāng)下汽車設(shè)計的方向）。因此假如我們要討論集成效率提升的話，體積利用效率是最直接最有效的研究判斷指標(biāo)，而不是只執(zhí)著于常見的質(zhì)量能量密度Wh/kg。
典型電池包結(jié)構(gòu)示意圖
奧迪e-tron電池包結(jié)構(gòu)
注意橙色的線束占據(jù)的體積
刀片電池技術(shù)關(guān)于電池包體積能量密度的提升
那么在這里，大家可以看看刀片電池（電芯+電池包）的樣子，最簡單的就是直接把比亞迪申請的幾個專利下載一下，看看他們放的原圖和說明（其實讀一下就發(fā)現(xiàn)人家放圖和說明已經(jīng)很詳細(xì)啦，我們只要搬運+整理出重要內(nèi)容就可以）
BYD專利中給出的典型的基于刀片電芯做成的電池包結(jié)構(gòu)示意圖
比較之后，我們可以直接總結(jié)一下刀片電池（包）解決方法可以有效提高體積能量密度的原因：
1）單體電芯長條化-大電芯化帶來的更高能量密度
這倒不是什么太新奇的思路，為了提高能量密度，本來大電芯就是公認(rèn)的發(fā)展方向。當(dāng)然，電芯做到多大是“比較科學(xué)的最大”，安全性如何，冷卻怎么保證，這是要進(jìn)行仔細(xì)平衡優(yōu)化的。
2）單體電芯長條化，兩端出極耳的設(shè)計使得電池包高度z軸方向利用率可以明顯提高
在這里，之前BatteryPack發(fā)表的《比亞迪的刀片電池為何能提高50%的能量密度？》一文已經(jīng)給出了非常直觀的基于模組的示意圖說明和計算分析，即：“1100mm，長度在1600mm。下面回顧一下小學(xué)知識，以150mmZ向高度來說，Z向多利用1mm，整個體積利用率就多提高0.67%。Y向多利用1mm，整個體積利用率才提高不到0.1%，X向就更小了。所以新增卷芯在Z向的尺寸是最重要的，也是刀片電池在PACK層級體積能量密度提高的重要原因?！?/p>
刀片電池（芯）在z向更好的空間利用率
圖片摘自公眾號BatteryPack
而在這里，我們可以把上文中電芯/模組示意進(jìn)一步外推放大到電池整包來比較一下，大家可以更直觀的感受到體積利用率的明顯提高。
傳統(tǒng)電池包z軸剖面空間利用示意圖
刀片電池包z軸剖面空間利用示意圖
3）沿車體寬度空間利用率的提高
繼續(xù)剛才一部分的分析：實際上不僅z軸，沿剖面的寬度方向的利用率提高幅度也應(yīng)該是不小的：沿寬度方向可能就只有兩個電芯（長度可能是600-1000mm），甚至只有一個電芯布局。其實這樣的設(shè)計理念有點“大模組”的意思，其實也是目前很多OEM技術(shù)發(fā)展的一個方向。
4）模組結(jié)構(gòu)的簡化
傳統(tǒng)的模組為了保證其作為一個獨立的單元具有良好的力學(xué)性能，要側(cè)板端板等防護(hù)結(jié)構(gòu)，因為多級集成也要低壓線束、高壓連接等電氣元件。在使用刀片電芯技術(shù)后，這些結(jié)構(gòu)可以得到極大的簡化，但是遺憾的是，因為BYD沒有放出官方的更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)示意圖，這里只能參考傳統(tǒng)模組結(jié)構(gòu)，再基于刀片CTP的特點進(jìn)行推理。但是不難推斷：在體積利用方面，只在這一個環(huán)節(jié)從傳統(tǒng)的78%（前面計算得到值）提升到90%以上完全是有可能的（這就是10+%的提升）。
5）電池包整體結(jié)構(gòu)/元件需求極大的簡化
相對更為簡單的電芯結(jié)構(gòu)和集成方法使得電池包固定件+防護(hù)結(jié)構(gòu)件等用量明顯減少使得制造更容易、成本更低、集成效率更高。關(guān)于刀片電池集成的電池包，方形剛性外殼的電芯本身較長的長度就可以承擔(dān)/分擔(dān)一部分系統(tǒng)的力上的支撐，從而減少電池包系統(tǒng)層級上要的機械加固結(jié)構(gòu)需求；更大尺寸的電芯/近似模組的設(shè)計使得在電池包等級上的裝配生產(chǎn)復(fù)雜度和成本明顯降低，質(zhì)量和體積上更緊湊，利用率肯定更高。更加一體化的設(shè)計理念也可以很好的提高水冷、加熱等元件的集成度。
而基于相對規(guī)整的電芯做出的電池包外形也會在體積上更為規(guī)整緊湊，更多的處于汽車碰撞中的安全區(qū)內(nèi)，這關(guān)于電池包殼體的撞擊保護(hù)的需求也會帶來降低，從而形成一個電池包緊湊化-置于更安全的位置-可以更少使用力學(xué)保護(hù)結(jié)構(gòu)-使電池包結(jié)構(gòu)近一步緊湊化的正反饋循環(huán)。
基于以上幾點的優(yōu)勢疊加，假如每一個因素都能提高10%左右，不難看出相比于傳統(tǒng)電池包，基于刀片電池單體的電池包的體積利用率完全有可能提高4050%。
刀片電池技術(shù)+磷酸鐵鋰的電池包基本數(shù)據(jù)性能與三元電池相比有競爭力嗎？
更進(jìn)一步的，我們可以試著推理一下（半定量，不能保證數(shù)據(jù)足夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)强晒﹨⒖迹┢浠诘镀姵?磷酸鐵鋰化學(xué)體系能達(dá)到的電芯級與電池包級的能量密度，以及其與目前典型的三元電池包的比較。不難看出，基于刀片電池技術(shù)，磷酸鐵鋰離子電池系統(tǒng)完全可以在能量密度上與現(xiàn)在市面上主流的三元電池相匹敵，在乘用車細(xì)分市場中打開更廣闊的天地。而且不要忘記，磷酸鐵鋰電芯本身成本就更低，而體積能量密度提高來自于電池包等級上結(jié)構(gòu)部件的節(jié)省，這也會進(jìn)一步的使成本更加有競爭力。
*刀片電池（質(zhì)量基于80%集成效率，體積基于傳統(tǒng)三元電池包集成效率45%的1.5倍為67%估計）
典型的刀片電池包的電芯堆疊情況示意圖
挑戰(zhàn)？
當(dāng)然刀片電池也不是完全只有優(yōu)點，也會帶來一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)：比如新型長電芯是一個類似于COMBOMODULE的設(shè)計概念，是一個電芯里面套幾個卷芯再用隔間隔開的結(jié)構(gòu)；多個注液口的注液密封、多個卷芯等帶來的一致性控制的難度；這種更長/大電芯的安全性可能會更加有挑戰(zhàn)（假如做的是鐵鋰倒是可以被磷酸鐵鋰的本征安全性抵消一部分）。
但是總體來說，這關(guān)于每一點能量密度上升、成本下降都不容易的動力鋰電池領(lǐng)域來說，這就是一個很大的創(chuàng)新：創(chuàng)新并不是僅限于電化化學(xué)體系上，電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)集成同樣十分重要甚至有可能有更多潛力可挖。也希望行業(yè)內(nèi)的同仁們一起努力，共同進(jìn)一步推動動力鋰電池技術(shù)的發(fā)展。
