作者簡(jiǎn)介：劉冠偉，博士畢業(yè)于清華大學(xué)材料系，從事動(dòng)力電池研究開(kāi)發(fā)工作多年，目前就職于某外資車(chē)企電芯開(kāi)發(fā)部門(mén)。
其實(shí)（類(lèi)似于）刀片電池的長(zhǎng)電芯-簡(jiǎn)化模組思路，在汽車(chē)業(yè)內(nèi)已經(jīng)受到大家的重點(diǎn)關(guān)注有一段時(shí)間了，而比亞迪的刀片電池可以說(shuō)是在這方面創(chuàng)新的一個(gè)集中體現(xiàn)。不管是比亞迪的刀片電池，還是寧德時(shí)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)上的電池包需要層層集成——電芯cell-模組module-電池包pack三級(jí)，而通過(guò)刀片/CTP技術(shù)可以減少模組級(jí)的結(jié)構(gòu)件，并極大的簡(jiǎn)化電池包上的裝配支撐結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)電池包結(jié)構(gòu)明顯簡(jiǎn)化，從而形成了近似于電芯-電池包的兩級(jí)集成方案。與三級(jí)集成方案相比，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(zhǎng)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(jiǎn)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。
而體積集成效率可以進(jìn)行簡(jiǎn)單估算：355模組的尺寸是：355*151*108，如果是基于方形電芯構(gòu)成的話其包括12個(gè)148*91*28的電芯。通過(guò)計(jì)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(jiàn)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(lái)，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(huì)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。
在這里需要大家注意，對(duì)于動(dòng)力電池（包）來(lái)說(shuō)，體積能量密度其實(shí)更重要，因?yàn)槌擞密?chē)的底盤(pán)空間有限，不能容納一個(gè)體積很大（尤其是z軸高度很高，在這里給z軸方向劃重點(diǎn)）的電池包。越是對(duì)于底盤(pán)偏矮的轎車(chē)/跑車(chē)這個(gè)要求越突出（低矮的車(chē)更“性感”，符合當(dāng)下汽車(chē)設(shè)計(jì)的方向）。因此如果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(jiàn)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)對(duì)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(jiǎn)單的就是直接把比亞迪申請(qǐng)的幾個(gè)專(zhuān)利下載一下，看看他們放的原圖和說(shuō)明（其實(shí)讀一下就發(fā)現(xiàn)人家放圖和說(shuō)明已經(jīng)很詳細(xì)啦，我們只需要搬運(yùn)+整理出主要內(nèi)容就可以）
BYD專(zhuān)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
對(duì)比之后，我們可以直接總結(jié)一下刀片電池（包）解決方案可以有效提高體積能量密度的原因：
1） 單體電芯長(zhǎng)條化->大電芯化帶來(lái)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(lái)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，這是需要進(jìn)行仔細(xì)平衡優(yōu)化的。
2） 單體電芯長(zhǎng)條化，兩端出極耳的設(shè)計(jì)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什么能提高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(shuō)明和計(jì)算分析，即：“1100mm，長(zhǎng)度在1600mm。下面回顧一下小學(xué)知識(shí)，以150mm Z向高度來(lái)說(shuō)，Z向多利用1mm，整個(gè)體積利用率就多提高0.67%。Y向多利用1mm，整個(gè)體積利用率才提高不到0.1%，X向就更小了。所以增加卷芯在Z向的尺寸是最重要的，也是刀片電池在PACK層級(jí)體積能量密度提高的主要原因。”
刀片電池（芯）在z向更好的空間利用率，
圖片摘自公眾號(hào)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(lái)對(duì)比一下，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(chē)體寬度空間利用率的提高
繼續(xù)剛才一部分的分析：實(shí)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(gè)電芯（長(zhǎng)度可能是600-1000mm），甚至只有一個(gè)電芯布局。其實(shí)這樣的設(shè)計(jì)理念有點(diǎn)“大模組”的意思，其實(shí)也是目前很多OEM技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。
4） 模組結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化
傳統(tǒng)的模組為了保證其作為一個(gè)獨(dú)立的單元具有良好的力學(xué)性能，需要側(cè)板端板等防護(hù)結(jié)構(gòu)，因?yàn)槎嗉?jí)集成也需要低壓線束、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(jiǎn)化，但是遺憾的是，因?yàn)锽YD沒(méi)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(diǎn)進(jìn)行推理。但是不難推斷：在體積利用方面，只在這一個(gè)環(huán)節(jié)從傳統(tǒng)的78%（前面計(jì)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(jiǎn)化
相對(duì)更為簡(jiǎn)單的電芯結(jié)構(gòu)和集成方案使得電池包固定件+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。對(duì)于刀片電池集成的電池包，方形剛性外殼的電芯本身較長(zhǎng)的長(zhǎng)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(jí)上需要的機(jī)械加固結(jié)構(gòu)需求；更大尺寸的電芯/近似模組的設(shè)計(jì)使得在電池包等級(jí)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(jì)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(duì)規(guī)整的電芯做出的電池包外形也會(huì)在體積上更為規(guī)整緊湊，更多的處于汽車(chē)碰撞中的安全區(qū)內(nèi)，這對(duì)于電池包殼體的撞擊保護(hù)的需求也會(huì)帶來(lái)降低，從而形成一個(gè)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(diǎn)的優(yōu)勢(shì)疊加，假如每一個(gè)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40~50%。
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(jìng)爭(zhēng)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(jí)與電池包級(jí)的能量密度，以及其與目前典型的三元電池包的對(duì)比。不難看出，基于刀片電池技術(shù)，磷酸鐵鋰電池系統(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(chē)細(xì)分市場(chǎng)中打開(kāi)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(lái)自于電池包等級(jí)上結(jié)構(gòu)部件的節(jié)省，這也會(huì)進(jìn)一步的使成本更有競(jìng)爭(zhēng)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(jì))
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(diǎn)，也會(huì)帶來(lái)一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)：比如新型長(zhǎng)電芯是一個(gè)類(lèi)似于COMBO MODULE的設(shè)計(jì)概念，是一個(gè)電芯里面套幾個(gè)卷芯再用隔間隔開(kāi)的結(jié)構(gòu)；多個(gè)注液口的注液密封、多個(gè)卷芯等帶來(lái)的一致性控制的難度 ；這種更長(zhǎng)/大電芯的安全性可能會(huì)更有挑戰(zhàn)（如果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(lái)說(shuō)，這對(duì)于每一點(diǎn)能量密度上升、成本下降都不容易的動(dòng)力電池領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這就是一個(gè)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(jì)、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(dòng)動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
CN201910544929-電池包、車(chē)輛和儲(chǔ)能裝置-申請(qǐng)公開(kāi)
CN201911011713-一種鋰離子電池、電池模組、電池包及汽車(chē)-申請(qǐng)公開(kāi)
CN201911012284-一種電池、電池模組、電池包和電動(dòng)車(chē)-申請(qǐng)公開(kāi)
