電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
作者簡介：劉冠偉，博士卒業于清華大學材料系，從事動力鋰電池研究開發工作多年，目前就職于某外資車企電芯開發部門。
其實（類似于）刀片電池的長電芯-簡化模組思路，在汽車業內已經受到大家的重點關注有一段時間了，而比亞迪的刀片電池可以說是在這方面創新的一個聚集體現。不管是比亞迪的刀片電池，還是寧德時代的CTP(cell-to-pack，單體電芯到電池組)技術，他們是有共性的，即：傳統上的電池組要層層集成——電芯cell-模組module-電池組pack三級，而通過刀片/CTP技術可以減少模組級的結構件，并極大的簡化電池組上的裝配支撐結構，使得整個電池組結構分明簡化，從而形成了近似于電芯-電池組的兩級集成方案。與三級集成方案相比，在體積上提高50%集成效率是有可能的。
所以傳統電池組內部一般長的有哪些樣子？
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，其都包括了許多結構件，比如低壓線束、端側板等（都有簡化的可能），因此C-M(電芯到模組)的質量集成效率經常有90%左右。
而體積集成效率可以進行簡單估算：355模組的尺寸是：355*151*108，倘若是基于方形電芯構成的話其包括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)體積集成效率約莫為78%，留意了，大有提升潛力空間哦。
典型軟包電芯模組示意圖，摘自沐風網
典型方形電芯模組示意圖，摘自沐風網
2）再看一般電池組的結構
目前市面上常見的電池組很多基于小模組（比如355）+電池組內各種固定件、支撐件得來，模組結構件+高壓連接+線束+固定件+支撐件+其它件當然占據了相當多的體積和質量，所以集成效率不會太高，大家都希望可以進一步的提高集成效率，在有限的質量和空間中達到更高的電池組能量。
在這里要大家留意，關于動力鋰電池（包）來說，體積能量密度其實更緊要，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）的電池組。越是關于底盤偏矮的轎車/跑車這個要求越突出（低矮的車更“性感”，符合當下汽車設計的方向）。因此倘若我們要討論集成效率提升的話，體積利用效率是最筆直最有效的研究判斷指標，而不是只執著于常見的質量能量密度Wh/kg。
典型電池組結構示意圖
奧迪e-tron電池組結構，留意橙色的線束占據的體積
刀片電池技術關于電池組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+電池組）的樣子，最簡單的就是筆直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（其實讀一下就發現人家放圖和說明已經很具體啦，我們只要搬運+整理出緊要內容就可以）
BYD專利中給出的典型的基于刀片電芯做成的電池組結構示意圖
比較之后，我們可以筆直總結一下刀片電池（包）處理方案可以有效提高體積能量密度的原由：
1）單體電芯長條化->大電芯化帶來的更高能量密度
這倒不有哪些太新奇的思路，為了提高能量密度，本來大電芯就是公認的發展方向。當然，電芯做到多大是“比較科學的最大”，安全性要怎么樣，冷卻怎么保證，這是要進行仔細平衡優化的。
2）單體電芯長條化，兩端出極耳的設計使得電池組高度z軸方向利用率可以分明提高
在這里，之前BatteryPack發表的《比亞迪的刀片電池為甚么能提高50%的能量密度？》一文已經給出了非常直觀的基于模組的示意圖說明和計算分解，即：“1100mm，長度在1600mm。下面回顧一下小學知識，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向的尺寸是最緊要的，也是刀片電池在PACK層級體積能量密度提高的緊要原由。”
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分明提高。
傳統電池組z軸剖面空間利用示意圖
刀片電池組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
持續剛才一部分的分解：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當是不小的：沿寬度方向可能就惟有兩個電芯（長度可能是600-1000mm），甚至惟有一個電芯布局。其實這樣的設計理念有點“大模組”的意思，其實也是目前很多OEM技術發展的一個方向。
4）模組結構的簡化
傳統的模組為了保證其作為一個獨立的單元具有良好的力學性能，要側板端板等防護結構，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后，這些結構可以得到極大的簡化，但是可惜的是，因為BYD沒有放出官方的更具體的結構示意圖，這里只能參考傳統模組結構，再基于刀片CTP的特點進行推理。但是不難推斷：在體積利用方面，只在這一個環節從傳統的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）電池組整體結構/元件需求極大的簡化
相對更為簡單的電芯結構和集成方案使得電池組固定件+防護結構件等用量分明減少使得制造更容易、成本更低、集成效率更高。關于刀片電池集成的電池組，方形剛性外殼的電芯本身較長的長度就可以承擔/分擔一部分系統的力上的支撐，從而減少電池組系統層級上要的機械加固結構需求；更大尺寸的電芯/近似模組的設計使得在電池組等級上的裝配加工復雜度和成本分明降低，質量和體積上更緊湊，利用率肯定更高。更加一體化的設計理念也可以很好的提高水冷、加熱等元件的集成度。
而基于相對規整的電芯做出的電池組外形也會在體積上更為規整緊湊，更多的處于汽車碰撞中的安全區內，這關于電池組殼體的撞擊保護的需求也會帶來降低，從而形成一個電池組緊湊化->置于更安全的位置->可以更少使用力學保護結構->使電池組結構近一步緊湊化的正反饋循環。
基于以上幾點的優點重疊，倘若每一個因素都能提高10%左右，不難看出相比于傳統電池組，基于刀片電池單體的電池組的體積利用率完全有可能提高40~50%。
刀片電池技術+磷酸鐵鋰的電池組基本數據性能與三元電池相比有競爭力嗎？
更進一步的，我們可以試著推理一下（半定量，不能保證數據足夠嚴謹但是可供參考）其基于刀片電池+磷酸鐵鋰化學體系能達到的電芯級與電池組級的能量密度，以及其與目前典型的三元電池組的比較。不難看出，基于刀片電池技術，磷酸鐵鋰電池系統完全可以在能量密度上與今朝市面上主流的三元電池相匹敵，在乘用車細分市場中打開更廣闊的乾坤。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組等級上結構部件的節省，這也會進一步的使成本更有競爭力。
*刀片電池(質量基于80%集成效率，體積基于傳統三元電池組集成效率45%的1.5倍為67%估計)
典型的刀片電池組的電芯堆疊情況示意圖
挑戰？
當然刀片電池也不是完全惟有優勢，也會帶來一些技術上的挑戰：比如新型長電芯是一個類似于COMBOMODULE的設計概念，是一個電芯里面套幾個卷芯再用隔間隔開的結構；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有挑戰（倘若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，這關于每一點能量密度上升、成本下降都不容易的動力鋰電池范疇來說，這就是一個很大的創新：創新并不是僅限于電化化學體系上，電芯結構設計、系統集成同樣十分緊要甚至有可能有更多潛力可挖。也希望行業內的同仁們一起努力，共同進一步推動動力鋰電池技術的發展。
參考文獻：
CN201910544929-電池組、車輛和儲能裝置-申請公開
CN201911011713-一種鋰電池、電池模組、電池組及汽車-申請公開
CN201911012284-一種電池、電池模組、電池組和電動車-申請公開
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