2023年03月21日 | 电池进入CTC时代，软包电池如何做大？

随着动力电池和电动汽车的产品配合越来越深入，电池应该如何最优化，如何适应更多的车用动力电池场景——围绕着这些思考，动力电池在形态上出现了几个明显趋势：

图1.松下电池业务的发展

首先是电芯的尺寸和容量变大：不仅是圆柱，软包和方壳，都是越来越大。

圆柱电池：是从18650，到21700，再到4680演进。

方形电池：从原来的VDA尺寸（148*26.5*91mm），变得越来越“宽、厚”。

软包电池：也是从适用VDA模组（长度300mm），到MEB的590模组（长度500mm+），还有继续往大软包发展的趋势。

从结构上来说也在不断简化，尤其是电池设计开始走向CTP和CTC之后。我们本文重点来讲讲软包电池尺寸的规格变化。

软包电池的尺寸规格

从产线和设计来看，软包电池的尺寸和体积灵活多变，可根据不同车型空间、底盘需求进行定制，为未来纯电动汽车整车布局和结构设计提供方便。因此在历史上，第一个阶段，主要是由通用汽车和日产汽车分别来定义电池尺寸。

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• 定制性电芯阶段——通用和日产

最早软包电池的应用是在2010年左右，典型的车型是GM的Volt和日产的LEAF，都是采用了单端出极耳的方形软包电池，具体的电芯和电池包设计如下。这两种规格的电池一直沿用了很长的时间，包括现在销售的LEAF还在使用这种规格的电池。

▲图2.第一代软包电池的规格

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• VDA的尺寸规格和590的进化规格

随着模组通用化的需求，在电芯的尺寸往VDA标准尺寸、390模组和590模组适应的过程中，衍生出单端出极耳的方式。这个时候电芯被竖起来使用，在整个结构设计中是围绕类似方壳电池模组的方向来迭代，但这也限制了软包电池的发展。

▲图3.VDA时代的软包电芯

软包电池的优缺点：将来的方向是大电池么

对于软包电池来说，从长远来看，一定是需要做成能匹配车型设计的，它的最大优势就是尺寸灵活，可以做成各种形状。而制造标准化方面，可以更好地实现柔性设计。所以在思考什么样的软包电芯尺寸可能更好，一定是从汽车的本身需求出发，在这里孚能科技提出了一种解决方案，我觉得是很有参考的价值。

我们可以对比一下尺寸参数：

LG PHEV电池 177*127*

AESC BEV电池 290*216*7.1mm

VDA BEV电芯301*100*14.3mm

孚能科技设计的软包电芯长度范围涵盖400-800mm，宽度涵盖150-300mm，厚度涵盖8-20mm，也就是电芯是可以自由组合的模式。

▲图4.软包电池的尺寸范围

尺寸如何做到与效率的平衡，比较成熟的方向还是围绕软包大电芯的方向，把电芯做得更长和更宽，这样有助于整体的设计和布置。从结构设计角度来看，通过尺寸的重新调整带来的结构设计改善，效果是很明显的。

▲图5.软包电池尺寸带来的结果调整

在保持电池系统底盘尺寸不变的情况下，孚能科技SPS可以通过调节卧式布置的大软包电芯厚度，灵活调节电池系统的底盘高度，即同款底盘、一款电芯就可适配全系乘用车型。电芯厚度的变化让SPS的底盘高度能够在85mm到145mm之间灵活配置，搭载不同能量密度的大软包电芯让电池系统拥有从80kWh到150kWh的不同带电容量。

▲图6.电池尺寸和模组设计意图

孚能科技软包SPS电池规格方向

实际上，一家汽车企业如果覆盖所有的车型做纯电动，存在几个棘手的问题：

电池包的尺寸和平台化必须要考虑

电量的覆盖需要比较均衡，也就是比较全

在电池里面内部要进行系统的考虑

所以才会有对电池系统从50-150kWh这种功率全部覆盖的要求，而软包电池可以从长度、厚度和宽度三个参数进行调节来解决这些问题。

▲图7.电池的梯度需求

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• 电池尺寸设计优化

孚能科技的软包电芯的设计，整个尺寸是灵活的（长400-800，宽度150-300，厚度8-20），因此可以开始导入CTP的设计模式。从国外来看，LG和SK On等电池厂商的技术路线，都是从原来的模组概念往去模组方向发展。

不同的设计思路体现到产品上有很大的差异。

▲图8.SPS的结构设计趋势

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• 模组结构带来的尺寸效率

堆叠的模式带来的效率的差异化，我们看到孚能科技给出来的体积利用率是75%。

体积利用率=X方向利用率*Y方向利用率*Z方向利用率。

X方向利用率：这里主要是长条出Tab的方向，如果控制好可以实现90%的利用率。

Y方向利用率：主要是判断长条设计之间的间隔，也按照90%来估算，因为尺寸比较长，所以空间是比较好设计的。

Z方向利用率：这个参数，对圆柱和方壳而言，一般是比较低的，由于加了散热结构板，这里还需要扣除结构支撑等的厚度，利用率估计在92%以上。

所以从目前发展的趋势上来看，想要提高利用率，就一定要在Z方向上面做文章。在SPS的设计上，整个把软包设计之前最大的缺陷给补上了，这点还是很了不起的，充分发挥了软包柔性的特点。另外电芯尺寸变大，总的串并联数变少，可以节省一些传统模组的结构件和连接设计。

▲图9.成组体积效率估算

电芯尺寸规格大了以后，有哪些难度，大制造如何走？

在刀片电池领域，我们看到对叠片的精度有较高要求——对齐精度不够高的话，会影响电池的最终性能。

同样，大软包电池对制造的要求也是提高的。因此升级了电池制造以后，整个工艺的调整是很关键的，这并不容易做。从行业的发展来看，不少企业在不断改进叠片技术，比较挑战的路径是采用极片热复合与多片叠融合技术，将隔膜与极片提前粘接、裁切，解决了叠片过程隔膜张力释放造成褶皱问题。

▲图10.大软包方向下电芯制造的改变

另外如何解决叠片的效率方面，行业里面在尝试使用多刀切与多片叠技术，并且在叠片机方面整机集成了极片放卷、裁切、热复合、多片飞叠、热压功能，通过缩短了极片卷料到叠片之间的片料转运，来降低极片裁切到叠片间的加工精度误差，保证了热压后的极组极片间处于稳定粘合状态。

而且在制造端，通过集成CCD缺陷和尺寸检测系统，来提升了产品缺陷检测能力，保证叠片过程中对齐度不良可实时监测、不良剔除。这也为软包电池尺寸提升给了实质性的路径。

小结：从全球来看，电芯都是在往巨大化发展，这一方面是为了制造效率，同时也是考虑到整包的成组率和降低成本的要求。在铝塑膜国产化之前，软包电芯在国内市场一直处在较为弱势的位置。但随着国内材料生产的进步，以及软包技术的不断积累，以孚能科技为代表的大软包电芯的技术路径也是做大尺寸，并在结构上进行优化。这个路径的发展步调与方壳、圆柱电池是保持一致的。

我们期待孚能科技的SPS能真正实现技术突破，与另外两种路线分庭抗礼，成为动力电池主流的技术方案之一。随着SPS方案细节的逐步呈现，我们的确看到这已经是一种非常重要的方向，值得长期观察。