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軟包電池的特點(diǎn)和市場格局演變的拐點(diǎn)

汽車電子設(shè)計(jì) ? 來源:汽車電子設(shè)計(jì) ? 作者:汽車電子設(shè)計(jì) ? 2022-12-16 09:31 ? 次閱讀

從2010年開始的很長一段時(shí)間里面,通用的Volt和日產(chǎn)的LEAF都是軟包電芯,除了特斯拉用18650以外,可以說軟包電池=第一代動力電池。很多朋友在問我,軟包電池這幾年的發(fā)展為什么沒有別的技術(shù)那么風(fēng)風(fēng)火火。

近幾年,鋰電池領(lǐng)域正在進(jìn)行技術(shù)突破,除了圍繞化學(xué)體系的改進(jìn),很多技術(shù)進(jìn)步都屬于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新——有火爆行業(yè)的刀片類電池、特斯拉和寶馬引領(lǐng)的4680大圓柱電池、以及方殼電池搭配的麒麟電池CTP3.0技術(shù)。相比之下,這幾年軟包電池在憋什么大招呢?

事實(shí)上,電池的不同封裝形態(tài)都是服務(wù)于用戶端的需求。在消費(fèi)電子領(lǐng)域,軟包電池普遍用于手機(jī)、筆記本等產(chǎn)品。在汽車領(lǐng)域,目前方殼被廣泛接受,軟包在中國因?yàn)楣?yīng)鏈不成熟、技術(shù)難度大、成組效率低,以及參與的電池廠少等原因,熱度不高。但是目前軟包技術(shù)已經(jīng)非常成熟,后續(xù)該怎么樣才能發(fā)揮自己的優(yōu)勢,今天的文章主要來談?wù)勥@個(gè)事情。

從歷史來看,軟包電池也經(jīng)歷了非標(biāo)準(zhǔn)大尺寸、355模組電芯、390模組電芯和590模組電芯,之前的設(shè)計(jì)更多是從電池本身角度談設(shè)計(jì),隨著軟包電池也結(jié)合汽車進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),那么軟包電池的新型設(shè)計(jì)思路是什么?

Part 1軟包電池的特點(diǎn)和市場格局演變的拐點(diǎn)

一、市場的格局變化

拋開電動汽車的早期歷史不說,根據(jù)IHS的數(shù)據(jù),電池的市場格局是在2018- 2021年這幾年,是往有利于軟包電池的方向發(fā)展的。

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▲圖2.不同類型電池的封裝份額(數(shù)據(jù)來源:IHS)

◎圓柱電池:市場份額在不斷變小,從2018年的29%,到去年的15%;根據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)2022年上半年只有12%了。特斯拉一直是圓柱最大的使用者,在開始選用方殼電池以后,圓柱在整個(gè)市場影響變小了。◎軟包電池:從市場份額不斷變大,到2021年達(dá)到峰值接近30%,今年上半年份額略降,在25%左右。

?◎方殼:一直占領(lǐng)50%的市場份額,近兩年占比有所增高。

數(shù)字是客觀的,在數(shù)字后面我們還能看到電池廠商的情況:在動力領(lǐng)域圓柱電池的主要提供商是松下、LG和SDI,軟包電池主要是LG、SK on、AESC遠(yuǎn)景和國內(nèi)的孚能;方殼電池,一個(gè)是寧德時(shí)代,一個(gè)是比亞迪(刀片也是方殼的變種,融合的產(chǎn)物)。從產(chǎn)品終端的汽車市場來看,電池產(chǎn)品的比例受限于整車的銷量。因此,方殼電池的份額走高和車端市場息息相關(guān),同時(shí)擠掉了其他產(chǎn)品的份額。

二、市場拐點(diǎn)的原因分析

整車企業(yè)應(yīng)用端在變化,從汽車企業(yè)角度來看,也確實(shí)存在和電池企業(yè)的博弈。

◎特斯拉:從只用圓柱,到2020年10月導(dǎo)入方殼,目前方殼比例逐步升高。這里分界線,就是一個(gè)電池包里面兼容圓柱模組和方殼模組。

◎奔馳:從EQC階段只用軟包,到開始在EQS上導(dǎo)入方殼電池——這里也確實(shí)是方殼和軟包兼容的模式。

◎通用汽車和福特:這兩家在美國主要圍繞軟包電池,但是在中國都采用了方殼電池為主。

在中國市場,由于有2017年開始的補(bǔ)貼退坡要求,還有產(chǎn)能供給的問題,從這一年起,中國車企絕大多數(shù)企業(yè)只使用方殼。這里一方面和方殼的技術(shù)優(yōu)勢有關(guān):

◎方殼提出取消模組,利用自身剛性來提高體積使用效率,降低成本。

◎方殼提出了大電芯方案,從1倍厚到3倍厚,成本降低,容量做到300Ah。

另一個(gè)容易被人忽視的原因,還和方殼主要的供應(yīng)商寧德時(shí)代和比亞迪的產(chǎn)能擴(kuò)張速度有關(guān)——產(chǎn)能高速擴(kuò)張,客觀上提高了市占率。

圓柱電池在2017年以后的式微,一個(gè)重大的原因是因?yàn)橘|(zhì)量一致性難以保證——我們看到小鵬在早期的設(shè)計(jì)嘗試了圓柱電池,也是在國內(nèi)吃了虧然后改選用方殼的。

軟包電池在國內(nèi)發(fā)展存在一定的瓶頸,主要的原因有:◎一方面是材料供應(yīng)的問題,包括鋁塑膜這樣的材料沒有國產(chǎn)化。

◎另一方面,在中國車企要求規(guī)模化供應(yīng)的當(dāng)口,軟包需要克服技術(shù)問題,并給關(guān)鍵的產(chǎn)能供給一些爬坡時(shí)間。

在技術(shù)方面,因?yàn)檐洶闹饕攸c(diǎn),在圍繞能量密度這個(gè)方面的優(yōu)勢不突出(電芯高,Pack打折率大),競爭時(shí)在成本和生產(chǎn)效率方面就有些吃虧。這也是軟包電池急需解決的問題。

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▲圖4.軟包的技術(shù)特點(diǎn)

Part 2?軟包的復(fù)興

但軟包電池并不是沒有翻盤的機(jī)會,想要理清楚這部分邏輯,得先詳細(xì)分析一下。

軟包的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。先說優(yōu)點(diǎn):◎尺寸很靈活,可以根據(jù)汽車客戶的需求,調(diào)整產(chǎn)線。◎軟包電池,鋁塑膜變形空間較大,熱失控時(shí)電芯層級更容易泄壓。◎鋁塑膜,重量輕,非活性部分所占比重小,軟包電池能量密度高。◎循環(huán)過程中對內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力小。

◎極耳位置充裕,充放電過程中,熱量分布均勻。

在實(shí)際的制造工藝中,軟包采用疊片工藝,這個(gè)工藝與采用卷繞工藝的方殼相比,還有如下的優(yōu)勢:◎能量密度更高:電芯內(nèi)部的卷繞工藝,卷繞拐角部有弧度,空間利用率低一些。這是因?yàn)?疊片工藝 能夠充分地 利用電池空間。在相同體積的電芯設(shè)計(jì)下,能量密度也相應(yīng)提高了——軟包疊片相比方殼卷繞和疊片,能量密度高5-10%。◎結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定:疊片工藝在電池的循環(huán)往復(fù)使用中,雖然也會膨脹,但總體來說,每層膨脹力相近,因此可保持界面平整。◎安全性更高:安全性也是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的自身優(yōu)勢帶來的。電極片的膨脹和收縮、隔膜拉伸等都會導(dǎo)致電芯變形,因此,確保電芯的形變最小,也是電池安全性的保證。疊片電池則由于受力均勻,形變小,電芯的安全性更高。◎更長的循環(huán)壽命:疊片電池的極耳數(shù)量較多,電子傳輸距離越短,電阻越小,故疊片電池的內(nèi)阻能夠降低,電池產(chǎn)熱小。而卷繞則容易發(fā)生變形、膨脹等問題,影響電池衰減性能。

◎通往未來的固態(tài)電池:如果說我們認(rèn)為將來固態(tài)電池要實(shí)現(xiàn)的話,軟包的形態(tài)可能是固態(tài)電池必須要走過的路。隨著電池固態(tài)電解質(zhì)的突破,能量密度更高,循環(huán)更好,成本更低。軟包這種形態(tài)可以賦予更大的想象空間。

從最終的電池成品看,用疊片工藝制成的電池產(chǎn)品,能量密度更高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、安全性更高、壽命更長。

軟包電池的缺點(diǎn)在于:◎殼體強(qiáng)度低,成組技術(shù)中附加材料多,之前沒有采用CTP設(shè)計(jì)。◎容量做不大,鋁塑膜限制了電池的厚度,限制了容量。

◎采用疊片的生產(chǎn)效率相對較低。

也就是說,從產(chǎn)品特點(diǎn)來看,軟包需要直面的難點(diǎn)在于:◎技術(shù)難度的突破上,結(jié)合汽車的開發(fā)來設(shè)計(jì)。◎解決成組率低的問題,把電池容量做大。◎提升產(chǎn)業(yè)鏈成熟度,提高產(chǎn)能。

◎有效的成本設(shè)計(jì)。

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▲圖5.軟包電池的核心問題

◎當(dāng)然最重要的還是制造端的改進(jìn),隨著疊片工藝的效率提升,也帶動了軟包電芯放大了自己的優(yōu)勢。

Part 3軟包電池的發(fā)展前途

在目前的軟包設(shè)計(jì)中,孚能發(fā)布的SPS(Super Pouch Solution)是非常有特點(diǎn)的,可以說為軟包的復(fù)興之路探索到一個(gè)正確的方向,也走在軟包技術(shù)的前端。

仔細(xì)研究可以看到,SPS主要圍繞大軟包電芯、大軟包電池系統(tǒng)、大軟包電池制造。在電芯的設(shè)計(jì)方法上,是通過大電芯配合層疊布置,可以使電池系統(tǒng)部件減少50%,材料成本降低33%,提升體積利用率到75%。而作為對比,麒麟電池的第三代CTP技術(shù),作為這個(gè)領(lǐng)域的王者,體積利用率為72%。

在軟包領(lǐng)域,孚能的SPS大軟包電池是提出了一種解題思路,也值得我們持續(xù)跟蹤做一些深度解析。主要從以下幾個(gè)方面來看:

●解決熱失控的問題

軟包能否做CTP設(shè)計(jì),是一個(gè)很大的挑戰(zhàn),孚能SPS的設(shè)計(jì)是給軟包電芯做個(gè)殼體,把軟包堆疊在一起,可以直接集成到PACK甚至汽車底盤。高效液冷板和導(dǎo)熱片的復(fù)合使用給大軟包電芯提供了“雙面液冷,三面?zhèn)鳠帷钡母咝峤粨Q,其中豎起來的液冷板可以起到電池PACK的支撐作用,也是可以起到安全防護(hù)作用的。電池系統(tǒng)的散熱效率提升4倍。大軟包電芯形成6面防護(hù),配以高效排氣通道的設(shè)計(jì)和熱交換能力,SPS大軟包電池系統(tǒng)配置8系或更高鎳含量的電芯,單體電芯的熱失控不擴(kuò)散(NO TP),當(dāng)一個(gè)軟包電芯出現(xiàn)問題,最多出現(xiàn)一個(gè)堆疊的模組燒起來,但是整體比之前把電芯站立火燒連營要好。

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▲圖8.孚能電池的SPS方案

●整車匹配問題

隨著汽車企業(yè)的能耗競爭和空間布置的要求提出來,各家電池廠都必須根據(jù)主機(jī)廠的需求調(diào)整生產(chǎn)線,相比方殼和刀片尺寸,這種大軟包尺寸我們可以做到更薄,也就讓汽車的底盤厚度可以更薄,空間相應(yīng)的增大。

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▲圖9.不同電池的需求

SPS“大軟包”臥式布局和疊片技術(shù),可以靈活調(diào)節(jié)電池系統(tǒng)的底盤高度,同款底盤、一款電芯就可以適配全系乘用車。大軟包電芯厚度,是可以靈活改變的,可根據(jù)不同的要求配置成14mm-20mm;而且由于Pack高度=電芯厚度*電芯數(shù)量,大軟包還可以通過調(diào)整電芯的堆疊數(shù)量來控制電池高度——SPS大軟包系統(tǒng)的高度可以在85mm-145mm之間靈活調(diào)節(jié),搭載不同能量密度的大軟包電芯讓電池系統(tǒng)可擁有從80kWh-150kWh的不同容量,滿足從性能轎跑到城市皮卡的電動化需求。

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▲圖10.適應(yīng)整車的設(shè)計(jì)

●快充速度

電池快充是電池特性提升的下一個(gè)熱點(diǎn),目前在800V車型上是一個(gè)剛性需求。孚能科技的SPS方案中,液冷板和導(dǎo)熱片的復(fù)合使用,給大軟包電芯提供了“雙面液冷,三面?zhèn)鳠帷钡母咝峤粨Q,電池系統(tǒng)的散熱效率提升4倍,加上精準(zhǔn)的控溫AI-BMS,這樣也增加了電池循環(huán)壽命,SPS的設(shè)計(jì)是可以超過3000次循環(huán)的。在2021年開始,孚能在這方面就展示了800VTC的超壓超充技術(shù),這塊的技術(shù)儲備也確實(shí)已經(jīng)開始了,也是很早應(yīng)用到量產(chǎn)車型里面去,這對于消費(fèi)者來說,是一項(xiàng)值得期待的技術(shù)。

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▲圖11.快充的需求

小結(jié):總體來看,動力電池的三種技術(shù)路線,圓柱、方殼和軟包都是各自有發(fā)展。軟包電池的技術(shù)路線一直很靈活,在持續(xù)的競爭中想要得到更多的份額,一定是把容量做大,結(jié)構(gòu)做簡單,才能更符合汽車的需求。在這個(gè)方向上,不斷有企業(yè)在提出電芯層面和成組方面的創(chuàng)新,對整個(gè)產(chǎn)業(yè)影響挺大。孚能作為在中國軟包電芯的代表,在軟包技術(shù)層面引領(lǐng)全行業(yè),孚能SPS大軟包系統(tǒng)的創(chuàng)新,是全方位的技術(shù)革新,從目前的設(shè)計(jì)來看,不僅是從技術(shù)方面做出一整套完整的解決思路,還可以看到工程設(shè)計(jì)人員在其中下了很大的功夫。

另外,軟包電池面臨的產(chǎn)能難題,孚能科技也做出應(yīng)對:11月1日贛州30G的SPS大軟包電池工廠已開工,預(yù)計(jì)2023年下半年正式投產(chǎn)。另外,蕪湖一期24G SPS大軟包電池工廠建設(shè)中我們可以期待一下。

審核編輯:郭婷

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原文標(biāo)題:軟包電芯的突圍和復(fù)興

文章出處:【微信號:QCDZSJ,微信公眾號:汽車電子設(shè)計(jì)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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