引：我的职业生涯从进入汽车行业开始，就开始从事电动汽车的开发。所以一直都关注电池包的技术路线。
从2010年开始的很长一段时间里面，通用的Volt和日产的LEAF都是软包电芯，除了特斯拉用18650以外，可以说软包电池=第一代动力电池。很多朋友在问我，软包电池这几年的发展为什么没有别的技术那么风风火火。
近几年，锂电池领域正在进行技术突破，除了围绕化学体系的改进，很多技术进步都属于结构创新——有火爆行业的刀片类电池、特斯拉和宝马引领的4680大圆柱电池、以及方壳电池搭配的麒麟电池CTP3.0技术。相比之下，这几年软包电池在憋什么大招呢？
事实上，电池的不同封装形态都是服务于用户端的需求。在消费电子领域，软包电池普遍用于手机、笔记本等产品。在汽车领域，目前方壳被广泛接受，软包在中国因为供应链不成熟、技术难度大、成组效率低，以及参与的电池厂少等原因，热度不高。但是目前软包技术已经非常成熟，后续该怎么样才能发挥自己的优势，今天的文章主要来谈谈这个事情。
从历史来看，软包电池也经历了非标准大尺寸、355模组电芯、390模组电芯和590模组电芯，之前的设计更多是从电池本身角度谈设计，随着软包电池也结合汽车进行结构化设计，那么软包电池的新型设计思路是什么？
▲图1.软包电池的发展
Part 1 软包电池的特点和市场格局演变的拐点
一、市场的格局变化
抛开电动汽车的早期历史不说，根据IHS的数据，电池的市场格局是在2018- 2021年这几年，是往有利于软包电池的方向发展的。
▲图2.不同类型电池的封装份额（数据来源：IHS）
◎ 圆柱电池：市场份额在不断变小，从2018年的29%，到去年的15%；根据最新的统计2022年上半年只有12%了。特斯拉一直是圆柱最大的使用者，在开始选用方壳电池以后，圆柱在整个市场影响变小了。
◎ 软包电池：从市场份额不断变大，到2021年达到峰值接近30%，今年上半年份额略降，在25%左右。
◎ 方壳：一直占领50%的市场份额，近两年占比有所增高。
数字是客观的，在数字后面我们还能看到电池厂商的情况：在动力领域圆柱电池的主要提供商是松下、LG和SDI，软包电池主要是LG、SK on、AESC远景和国内的孚能；方壳电池，一个是宁德时代，一个是比亚迪（刀片也是方壳的变种，融合的产物）。从产品终端的汽车市场来看，电池产品的比例受限于整车的销量。因此，方壳电池的份额走高和车端市场息息相关，同时挤掉了其他产品的份额。
二、 市场拐点的原因分析
整车企业应用端在变化，从汽车企业角度来看，也确实存在和电池企业的博弈。
◎ 特斯拉：从只用圆柱，到2020年10月导入方壳，目前方壳比例逐步升高。这里分界线，就是一个电池包里面兼容圆柱模组和方壳模组。
◎ 奔驰：从EQC阶段只用软包，到开始在EQS上导入方壳电池——这里也确实是方壳和软包兼容的模式。
◎通用汽车和福特：这两家在美国主要围绕软包电池，但是在中国都采用了方壳电池为主。
在中国市场，由于有2017年开始的补贴退坡要求，还有产能供给的问题，从这一年起，中国车企绝大多数企业只使用方壳。这里一方面和方壳的技术优势有关：
◎ 方壳提出取消模组，利用自身刚性来提高体积使用效率，降低成本。
◎ 方壳提出了大电芯方案，从1倍厚到3倍厚，成本降低，容量做到300Ah。
另一个容易被人忽视的原因，还和方壳主要的供应商宁德时代和比亚迪的产能扩张速度有关——产能高速扩张，客观上提高了市占率。
圆柱电池在2017年以后的式微，一个重大的原因是因为质量一致性难以保证——我们看到小鹏在早期的设计尝试了圆柱电池，也是在国内吃了亏然后改选用方壳的。
软包电池在国内发展存在一定的瓶颈，主要的原因有：
◎ 一方面是材料供应的问题，包括铝塑膜这样的材料没有国产化。
◎另一方面，在中国车企要求规模化供应的当口，软包需要克服技术问题，并给关键的产能供给一些爬坡时间。
▲图3.主要汽车企业的挑选
在技术方面，因为软包的主要特点，在围绕能量密度这个方面的优势不突出（电芯高，Pack打折率大），竞争时在成本和生产效率方面就有些吃亏。这也是软包电池急需解决的问题。
▲图4.软包的技术特点
Part 2 软包的复兴
但软包电池并不是没有翻盘的机会，想要理清楚这部分逻辑，得先详细分析一下。
软包的优点和缺点。先说优点：*
◎ 尺寸很灵活，可以根据汽车客户的需求，调整产线。
◎ 软包电池，铝塑膜变形空间较大，热失控时电芯层级更容易泄压。
◎ 铝塑膜，重量轻，非活性部分所占比重小，软包电池能量密度高。
◎ 循环过程中对内部结构产生的机械应力小。
◎ 极耳位置充裕，充放电过程中，热量分布均匀。
在实际的制造工艺中，软包采用叠片工艺，这个工艺与采用卷绕工艺的方壳相比，还有如下的优势：
◎ 能量密度更高：电芯内部的卷绕工艺，卷绕拐角部有弧度，空间利用率低一些。这是因为 叠片工艺 能够充分地 利用电池空间。在相同体积的电芯设计下，能量密度也相应提高了——软包叠片相比方壳卷绕和叠片，能量密度高5-10%。
◎ 结构更稳定：叠片工艺在电池的循环往复使用中，虽然也会膨胀，但总体来说，每层膨胀力相近，因此可保持界面平整。
◎ 安全性更高：安全性也是因为结构的自身优势带来的。电极片的膨胀和收缩、隔膜拉伸等都会导致电芯变形，因此，确保电芯的形变最小，也是电池安全性的保证。叠片电池则由于受力均匀，形变小，电芯的安全性更高。
◎ 更长的循环寿命：叠片电池的极耳数量较多，电子传输距离越短，电阻越小，故叠片电池的内阻能够降低，电池产热小。而卷绕则容易发生变形、膨胀等问题，影响电池衰减性能。
◎ 通往未来的固态电池：如果说我们认为将来固态电池要实现的话，软包的形态可能是固态电池必须要走过的路。随着电池固态电解质的突破，能量密度更高，循环更好，成本更低。软包这种形态可以赋予更大的想象空间。
从最终的电池成品看，用叠片工艺制成的电池产品，能量密度更高、内部结构更稳定、安全性更高、寿命更长。
软包电池的缺点在于：
◎壳体强度低，成组技术中附加材料多，之前没有采用CTP设计。
◎ 容量做不大，铝塑膜限制了电池的厚度，限制了容量。
◎ 采用叠片的生产效率相对较低。
也就是说，从产品特点来看，软包需要直面的难点在于：
◎ 技术难度的突破上，结合汽车的开发来设计。
◎ 解决成组率低的问题，把电池容量做大。
◎ 提升产业链成熟度，提高产能。
◎ 有效的成本设计。
▲图5.软包电池的核心问题
◎ 当然最重要的还是制造端的改进，随着叠片工艺的效率提升，也带动了软包电芯放大了自己的优势。
▲图6.叠片的工艺
Part 3 软包电池的发展前途
在目前的软包设计中，孚能发布的SPS（Super Pouch Solution）是非常有特点的，可以说为软包的复兴之路探索到一个正确的方向，也走在软包技术的前端。
仔细研究可以看到，SPS主要围绕大软包电芯、大软包电池系统、大软包电池制造。在电芯的设计方法上，是通过大电芯配合层叠布置，可以使电池系统部件减少50%，材料成本降低33%，提升体积利用率到75%。而作为对比，麒麟电池的第三代CTP技术，作为这个领域的王者，体积利用率为72%。
▲图7.软包企业的生态
在软包领域，孚能的SPS大软包电池是提出了一种解题思路，也值得我们持续跟踪做一些深度解析。主要从以下几个方面来看：
●解决热失控的问题
软包能否做CTP设计，是一个很大的挑战，孚能SPS的设计是给软包电芯做个壳体，把软包堆叠在一起，可以直接集成到PACK甚至汽车底盘。高效液冷板和导热片的复合使用给大软包电芯提供了“双面液冷，三面传热”的高效热交换，其中竖起来的液冷板可以起到电池PACK的支撑作用，也是可以起到安全防护作用的。电池系统的散热效率提升4倍。大软包电芯形成6面防护，配以高效排气通道的设计和热交换能力，SPS大软包电池系统配置8系或更高镍含量的电芯，单体电芯的热失控不扩散（NO TP），当一个软包电芯出现问题，最多出现一个堆叠的模组烧起来，但是整体比之前把电芯站立火烧连营要好。
▲图8.孚能电池的SPS方案
●整车匹配问题
随着汽车企业的能耗竞争和空间布置的要求提出来，各家电池厂都必须根据主机厂的需求调整生产线，相比方壳和刀片尺寸，这种大软包尺寸我们可以做到更薄，也就让汽车的底盘厚度可以更薄，空间相应的增大。
▲图9.不同电池的需求
SPS“大软包”卧式布局和叠片技术，可以灵活调节电池系统的底盘高度，同款底盘、一款电芯就可以适配全系乘用车。大软包电芯厚度，是可以灵活改变的，可根据不同的要求配置成8mm-20mm；而且由于Pack高度=电芯厚度*电芯数量，大软包还可以通过调整电芯的堆叠数量来控制电池高度——SPS大软包系统的高度可以在85mm-145mm之间灵活调节，搭载不同能量密度的大软包电芯让电池系统可拥有从80kWh-150kWh的不同容量，满足从性能轿跑到城市皮卡的电动化需求。
▲图10.适应整车的设计
●快充速度
电池快充是电池特性提升的下一个热点，目前在800V车型上是一个刚性需求。孚能科技的SPS方案中，液冷板和导热片的复合使用，给大软包电芯提供了“双面液冷，三面传热”的高效热交换，电池系统的散热效率提升4倍，加上精准的控温AI-BMS，这样也增加了电池循环寿命，SPS的设计是可以超过3000次循环的。在2021年开始，孚能在这方面就展示了800VTC的超压超充技术，这块的技术储备也确实已经开始了，也是很早应用到量产车型里面去，这对于消费者来说，是一项值得期待的技术。
▲图11.快充的需求
小结：总体来看，动力电池的三种技术路线，圆柱、方壳和软包都是各自有发展。软包电池的技术路线一直很灵活，在持续的竞争中想要得到更多的份额，一定是把容量做大，结构做简单，才能更符合汽车的需求。在这个方向上，不断有企业在提出电芯层面和成组方面的创新，对整个产业影响挺大。
孚能作为在中国软包电芯的代表，在软包技术层面引领全行业，孚能SPS大软包系统的创新，是全方位的技术革新，从目前的设计来看，不仅是从技术方面做出一整套完整的解决思路，还可以看到工程设计人员在其中下了很大的功夫。
另外，软包电池面临的产能难题，孚能科技也做出应对：11月1日赣州30G的SPS大软包电池工厂已开工，预计2023年下半年正式投产。另外，芜湖一期24G SPS大软包电池工厂建设中我们可以期待一下。
作者：朱玉龙
文章来源：汽车电子设计
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