烟烟(陶冶) · 1月19日 · 上海市

「微侃」软包电芯如何突围?—— SPS技术解读

动力电池按封装形态,可以分为圆柱、方壳和软包电池。近几年,随着锂电池 的技术进步,在结构创新方面,圆柱有了4680、方壳有了CTP3.0;相比之下,软包电池的发展似乎没有什么动静。

实际上,软包在消费电子领域的应用非常普及,广泛应用在手机、笔记本里。作为动力电池,软包技术非常成熟,但是什么问题让软包在动力电池领域的市占率不如其他两种形态的电池?后续是不是有发挥自己的优势机会?又需要有做出哪些改进呢?我们来谈谈这个问题。

 title=

Part 1
软包电池的市场格局演变

从市场数据来看,方壳一直是动力电池市场的主要占有者,这两年还抢掉了不少圆柱电池的市场份额。相比之下,软包的份额一直很稳定:从2018开始,伴随着电动汽车市场逐步发展 ,软包动力电池的市场份额稳扎稳打、逐步扩张,从2018年的14%,达到2021年的接近30%。2022年上半年略有回落,但也在25%左右。

为什么会有这样的变化? 可以从车企、技术和市场的角度来看。

● 从整车企业角度来说,整车企业的选择在变化,而汽车销量的变化,直接影响到电池的市场份额。特斯拉是圆柱的主要使用者,2020年开始导入方壳,最近方壳的比例在逐步上升。目前用软包的车企,主要是奔驰的EQC阶段,以及在EQS阶段上导入的方壳和软包兼容的模式。

目前用软包的车企,从全球范围来看,包括:

◎ 美系:通用、福特

◎ 欧系:大众、奥迪、奔驰、雷诺、保时捷、Volvo、Stellantis

◎ 日系:日产

◎ 韩系:现代、起亚

● 而在中国市场,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。事实上,正是由于动力电池白名单卡住了软包在中国使用的趋势,这也是技术和产品竞争之外的影响因素,也是动力电池发展的分水岭。

为什么这么多车企不约而同地选择方壳?从技术端来看,主要还是方壳近两年的在结构上的技术创新比较多:

◎ 比如,取消了模组,利用自身刚性来提高体积使用效率,降低成本

◎ 再比如,方壳的大电芯方案,让电池从1倍厚改为3倍厚,容量做到300Ah

◎ 最后一个容易被忽视的原因,就是车企和电池企业的博弈,以及电池企业的产能。

我们可以看到电池厂商的产品情况: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)。

国内很多车企选择和宁德时代合作,而宁德时代近几年高速扩张的产能,客观上提高了方壳电池的市占率,同时也挤掉了其他产品的份额。

圆柱电池的式微,一个重大的原因是因为质量一致性难以保证;而软包在国内热度不高的原因,主要是还是由于供应链不成熟、技术等因素,如果能克服这些问题,那么软包是不是有进一步发展的可能呢?

 title=

Part 2
软包的发展空间

要预测软包的发展高度,先来看看软包电池在国内发展遇到的瓶颈,主要的原因有两个方面的:

● 一个是供应链上的原因:

◎ 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,软包需要给关键的产能供给一些爬坡时间。

● 另一个是技术层面的原因:

软包电池的缺点在于:

◎ 壳体强度低,成组技术中附加材料多,Pack打折率大

◎ 铝塑膜限制了电池的厚度,限制了容量,在体积能量密度这个方面的优势不突出,因此在与别的形态的电池竞争时有些吃亏。这也是软包电池急需解决的问题。

但软包电池并不是没有翻盘的机会,因为软包自身也有明显的优点:

◎ 尺寸灵活:可以根据汽车客户的需求,调整产线

◎ 热失控管理:铝塑膜变形空间较大,热失控时电芯层级更容易泄压

◎ 重量能量密度:铝塑膜,重量轻,非活性部分所占比重小,软包电池容易把重量能量密度做高

◎ 热管理:极耳位置充裕,充放电过程中,热量分布均匀;循环过程中,对内部结构产生的机械应力小

◎ 制造工艺:软包采用叠片制造工艺,这个工艺与采用卷绕工艺的方壳相比,也有较大优势,之前我们专门有一期视频讲过这个事,这里就不多说了,有兴趣可以再找来看看。也就是说,软包需要克服供应链和技术层面的难点,一旦能突破,就能把软包 的优势充分发挥出来。

 title=

Part 3
国内前端的软包技术

目前的软包电池中,有这样的突破吗?我最近发现,孚能发布的SPS(Super Pouch Solution)技术可以说为软包的突破之路探索到一个正确的方向,也走在软包技术的前端。

SPS主要围绕大软包电芯、大软包电池系统、大软包电池制造。在电芯的结构设计上,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%。

在对软包技术的扬长避短,孚能的SPS大软包电池是提出了一种解题思路,主要从以下三个方面:

● 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。对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很明显。

SPS大软包电池系统配置8系或更高镍含量的电芯,依然能做到单体电芯的无热蔓延或无热扩散,从而杜绝热失控风险——当一个软包电芯出现问题,把热失控限制在一个堆叠的模组,从而防止电池包整体起火。

● 整车匹配问题
软包因为电池的灵活性,所以更容易解决整车匹配的问题。随着汽车企业的能耗竞争、以及对空间布置提要求,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,这种大软包尺寸可以做到更薄,也就让汽车的底盘厚度可以更薄,车内空间相应地增大。

具体来说SPS“大软包”卧式布局和叠片工艺技术,首先,是可以灵活改变的电芯厚度,覆盖8mm-20mm的配置;其次,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——可以在85mm-145mm之间灵活调节;再加上不同能量密度的大软包电芯,电池系统可拥有从80kWh-150kWh的不同容量,同款底盘、一款电芯就可以适配全系乘用车。

● 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,具备从2.4C到5C甚至更高的充放电倍率,一方面是通过冷却方式改进,提升电池系统的散热效率;再加上控温AI-BMS,增加了电池循环寿命——SPS的设计是可以超过3000次循环。

2021年开始,孚能就开始对800VTC的超压超充技术进行储备,可以应用到量产车型。对于消费者来说,把10%-80%的快充时间从现在的40分钟缩短到10分钟,一杯咖啡可以实现快充补能,将极大改变整个行业格局。

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,从技术方面做出一整套完整的解决思路,从中看到工程设计人员的功力。

另外,软包电池面临的产能难题,孚能科技也做出应对:去年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大软包电池工厂也在建设中,可以期待一下。

推荐阅读
关注数
4189
内容数
188
专注于汽车电子工程领域,紧跟技术创新,助力行业发展
目录
极术微信服务号
关注极术微信号
实时接收点赞提醒和评论通知
安谋科技学堂公众号
关注安谋科技学堂
实时获取安谋科技及 Arm 教学资源
安谋科技招聘公众号
关注安谋科技招聘
实时获取安谋科技中国职位信息