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隨著動力電池和電動汽車的產(chǎn)品配合越來越深入，電池應(yīng)該如何最優(yōu)化，如何適應(yīng)更多的車用動力電池場景——圍繞著這些思考，動力電池在形態(tài)上出現(xiàn)了幾個明顯趨勢：
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，都是越來越大。
圓柱電池：是從18650，到21700，再到4680演進。
方形電池：從原來的VDA尺寸（148*26.5*91mm），變得越來越“寬、厚”。
軟包電池：也是從適用VDA模組（長度300mm），到MEB的590模組（長度500mm+），還有繼續(xù)往大軟包發(fā)展的趨勢。
從結(jié)構(gòu)上來說也在不斷簡化，尤其是電池設(shè)計開始走向CTP和CTC之后。我們本文重點來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)計來看，軟包電池的尺寸和體積靈活多變，可根據(jù)不同車型空間、底盤需求進行定制，為未來純電動汽車整車布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供方便。因此在歷史上，第一個階段，主要是由通用汽車和日產(chǎn)汽車分別來定義電池尺寸。
- 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)計如下。這兩種規(guī)格的電池一直沿用了很長的時間，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的進化規(guī)格
隨著模組通用化的需求，在電芯的尺寸往VDA標準尺寸、390模組和590模組適應(yīng)的過程中，衍生出單端出極耳的方式。這個時候電芯被豎起來使用，在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中是圍繞類似方殼電池模組的方向來迭代，但這也限制了軟包電池的發(fā)展。
▲圖3.VDA時代的軟包電芯
軟包電池的優(yōu)缺點：將來的方向是大電池么
對于軟包電池來說，從長遠來看，一定是需要做成能匹配車型設(shè)計的，它的最大優(yōu)勢就是尺寸靈活，可以做成各種形狀。而制造標準化方面，可以更好地實現(xiàn)柔性設(shè)計。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，我覺得是很有參考的價值。
我們可以對比一下尺寸參數(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)計的軟包電芯長度范圍涵蓋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，把電芯做得更長和更寬，這樣有助于整體的設(shè)計和布置。從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度來看，通過尺寸的重新調(diào)整帶來的結(jié)構(gòu)設(shè)計改善，效果是很明顯的。
▲圖5.軟包電池尺寸帶來的結(jié)果調(diào)整
在保持電池系統(tǒng)底盤尺寸不變的情況下，孚能科技SPS可以通過調(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)的底盤高度，即同款底盤、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)計意圖
孚能科技軟包SPS電池規(guī)格方向
實際上，一家汽車企業(yè)如果覆蓋所有的車型做純電動，存在幾個棘手的問題：
電池包的尺寸和平臺化必須要考慮
電量的覆蓋需要比較均衡，也就是比較全
在電池里面內(nèi)部要進行系統(tǒng)的考慮
所以才會有對電池系統(tǒng)從50-150kWh這種功率全部覆蓋的要求，而軟包電池可以從長度、厚度和寬度三個參數(shù)進行調(diào)節(jié)來解決這些問題。
▲圖7.電池的梯度需求
- 電池尺寸設(shè)計優(yōu)化
孚能科技的軟包電芯的設(shè)計，整個尺寸是靈活的（長400-800，寬度150-300，厚度8-20），因此可以開始導(dǎo)入CTP的設(shè)計模式。從國外來看，LG和SK On等電池廠商的技術(shù)路線，都是從原來的模組概念往去模組方向發(fā)展。
不同的設(shè)計思路體現(xiàn)到產(chǎn)品上有很大的差異。
▲圖8.SPS的結(jié)構(gòu)設(shè)計趨勢
- 模組結(jié)構(gòu)帶來的尺寸效率
堆疊的模式帶來的效率的差異化，我們看到孚能科技給出來的體積利用率是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：這里主要是長條出Tab的方向，如果控制好可以實現(xiàn)90%的利用率。
Y方向利用率：主要是判斷長條設(shè)計之間的間隔，也按照90%來估算，因為尺寸比較長，所以空間是比較好設(shè)計的。
Z方向利用率：這個參數(shù)，對圓柱和方殼而言，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，利用率估計在92%以上。
所以從目前發(fā)展的趨勢上來看，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)計上，整個把軟包設(shè)計之前最大的缺陷給補上了，這點還是很了不起的，充分發(fā)揮了軟包柔性的特點。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。
▲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，我們看到對疊片的精度有較高要求——對齊精度不夠高的話，會影響電池的最終性能。
同樣，大軟包電池對制造的要求也是提高的。因此升級了電池制造以后，整個工藝的調(diào)整是很關(guān)鍵的，這并不容易做。從行業(yè)的發(fā)展來看，不少企業(yè)在不斷改進疊片技術(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，解決了疊片過程隔膜張力釋放造成褶皺問題。
▲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)，并且在疊片機方面整機集成了極片放卷、裁切、熱復(fù)合、多片飛疊、熱壓功能，通過縮短了極片卷料到疊片之間的片料轉(zhuǎn)運，來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，通過集成CCD缺陷和尺寸檢測系統(tǒng)，來提升了產(chǎn)品缺陷檢測能力，保證疊片過程中對齊度不良可實時監(jiān)測、不良剔除。這也為軟包電池尺寸提升給了實質(zhì)性的路徑。
小結(jié)：從全球來看，電芯都是在往巨大化發(fā)展，這一方面是為了制造效率，同時也是考慮到整包的成組率和降低成本的要求。在鋁塑膜國產(chǎn)化之前，軟包電芯在國內(nèi)市場一直處在較為弱勢的位置。但隨著國內(nèi)材料生產(chǎn)的進步，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)上進行優(yōu)化。這個路徑的發(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能真正實現(xiàn)技術(shù)突破，與另外兩種路線分庭抗禮，成為動力電池主流的技術(shù)方案之一。隨著SPS方案細節(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，值得長期觀察。
