自從比亞迪董事長王傳福在2020年1月的電動汽車百人會上首次公布了刀片電池和3月29日的刀片電池發(fā)布會，關(guān)于刀片電池的消息滿天飛，業(yè)界對刀片電池的討論也多了，主要的觀點有兩種：一種是認(rèn)為刀片電池沒有什么新的創(chuàng)意，和寧德時代的CTP相似，只是比亞迪的營銷噱頭；另一種是認(rèn)為刀片電池解決了許多磷酸鐵鋰的缺點，具有開創(chuàng)性意義。今天我們來討論下比亞迪的刀片電池。

1.首先是什么是刀片電池？

傳統(tǒng)電池系統(tǒng)是先把電芯組裝成模組，再把模組安裝到電池系統(tǒng)里面，進(jìn)行分級管理。由模組的機(jī)械結(jié)構(gòu)對電芯起到支撐、固定和保護(hù)的作用，再由電池系統(tǒng)對模組支撐、固定和保護(hù)的作用。

而刀片電池是一種全新的設(shè)計理念，在采用長電芯的同時，省去了中間模組環(huán)節(jié)，直接把電芯裝到電池系統(tǒng)里面。這樣重量和成本都有效下降，這一點和寧德時代的CTP有相似的地方。同時比亞迪電池結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒了蜂窩鋁板的原理，通過結(jié)構(gòu)膠把電芯固定在兩層鋁板之間，讓電芯本身充當(dāng)結(jié)構(gòu)件，來增加整個系統(tǒng)的強度。

我們再來看一下刀片電芯，拿市面上應(yīng)用最廣的C公司產(chǎn)品和刀片電芯對比。C公司產(chǎn)品的長度是148 mm、厚度是79mm、高度是97mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是卷繞，看起來像一塊板磚。刀片電芯長度是960mm，厚度是 13.5 mm，高度為 90 mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是疊片。因其長而薄的形狀酷似刀片，因此得名刀片電池。      

2.刀片電池誕生背景

我們來看下這幾年純電動車電池材料的發(fā)展趨勢，縱坐標(biāo)是能量密度。在純電領(lǐng)域，一直存在兩條技術(shù)路線，三元和磷酸鐵鋰電池。三元電池由于能量密度高，被大部分車企選擇，但是他有個缺點是成本高。相反磷酸鐵鋰成本較低，但是能量密度低。而且現(xiàn)階段的磷酸鐵鋰能量密度已經(jīng)快接近理論極限。而比亞迪是做磷酸鐵鋰電池出身，雖然現(xiàn)階段比亞迪大部分純電動車上已經(jīng)使用了三元電池，但從未放棄磷酸鐵鋰這條技術(shù)路線。既然在材料方面不能突破能量密度，比亞迪的工程師就從系統(tǒng)集成做工作。 

我們總結(jié)下電池系統(tǒng)集成發(fā)展規(guī)律。首先我們看下第一代電池包，是異形電池包，為了節(jié)省成本，采用了標(biāo)準(zhǔn)模組，但是成組效率都比較低。第二代電池包，也是異型電池包，為了提高成組效率，選擇了和電池結(jié)構(gòu)匹配的非標(biāo)準(zhǔn)模組，使成組效率有明顯的提升。以上兩種電池包都是基于傳統(tǒng)乘用車平臺。第三代電池包，多應(yīng)用于純電動車平臺。有三種不同的發(fā)展趨勢，但有一個共同點，都是平板的電池包，但分別應(yīng)用了無模組技術(shù)、刀片電池技術(shù)和590標(biāo)準(zhǔn)大模組技術(shù)，成組效率再次有明顯提升，其中刀片電池的提升是最高的?？梢哉f刀片電池在電池材料不能突破更高能量密度的前提下，但是在電池系統(tǒng)集成方面有所突破，解決了磷酸鐵鋰電池續(xù)航較短的缺點，這也就是刀片電池誕生的背景。

3.刀片電芯的優(yōu)勢

LFP能量密度低這個缺點是不可避免的，比亞迪的工程師通過增長電芯長度，減少電芯結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計和電芯數(shù)量，能夠有效的提高電芯的體積能量密度和電池包的體積能量密度，來提高車輛的續(xù)航里程。我們來看下比亞迪專利中公布的數(shù)據(jù)，不同電芯長度與電池包能量密度的關(guān)系，可以明顯的發(fā)現(xiàn)，電芯長度從208增加至435mm的時候，能量密度沒什么變化，但是長度增加至945mm，能量密度提升了10%。

刀片電芯還有一個優(yōu)點，就是散熱性能好。我們都知道電池對溫度特別敏感，也是制約電池快充時間的主要原因，所以散熱對電芯是一項很重要的指標(biāo)。因為刀片電池具有較大的散熱面和較薄的厚度，所以刀片電芯的散熱性能較好。我們來看下比亞迪刀片電池專利公布的數(shù)據(jù)，不同厚度的電芯在刀片電池內(nèi)部的溫度仿真結(jié)果，我們可以明顯的發(fā)現(xiàn)隨著電芯厚度不斷減小，電芯和電池包快充是的溫升越來越小，散熱性能越來越好。

以上兩個優(yōu)勢給我們一個啟發(fā)，比亞迪并行開發(fā)電池包和電芯，開發(fā)中進(jìn)行多次設(shè)計仿真，不斷優(yōu)化電芯設(shè)計，使電芯最大程度的匹配電池，發(fā)揮電芯最大的性能，這也是比亞迪垂直整合的最大優(yōu)勢。

4.刀片電池的優(yōu)勢

1.電池能量密度提高

這點我們前面有提到過，刀片電池取消了模組設(shè)計，減少了很多結(jié)構(gòu)件設(shè)計，同時上下箱體與電芯緊密連接，使體積能量密度有明顯的提升，這也是比亞迪廣泛宣傳的體積能量密度提高50%。     

2.低成本

取消了模組設(shè)計，優(yōu)化了電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，電池二級零部件數(shù)量減少40%，并適用了低成本的LFP體系，有效降低了成本。

3.結(jié)構(gòu)強

刀片電池在PACK設(shè)計在電芯的上下兩面上，使用結(jié)構(gòu)膠粘貼兩塊高強度的強度板，形成了類似蜂窩鋁板的這種結(jié)構(gòu)，使每一個電芯充當(dāng)結(jié)構(gòu)梁。傳統(tǒng)電池包一般只有4－5根梁，而刀片電池是讓每一個電芯都充當(dāng)結(jié)構(gòu)件，其強度可想而知。電池底部發(fā)生碰撞的時候，電芯可以直接承受一定范圍的力。

4.熱管理優(yōu)異

看下示意圖，刀片電池的液冷板布置在電芯上方，同時在電芯與電芯之間設(shè)計了導(dǎo)熱層，這種方案的熱交換面積比傳統(tǒng)方型電芯大很多，能夠有效的將電芯的熱量傳遞給水冷板，再加上刀片電芯本來散熱性能就好，所以刀片電池的熱管里設(shè)計優(yōu)異，能將電池內(nèi)最大溫差控制在1攝氏度內(nèi)，而目前行業(yè)內(nèi)普遍是5攝氏度。

5.平臺化

刀片電芯是有不同規(guī)格的，長度可以在435~2500m之間變換，再加上是標(biāo)準(zhǔn)的平板式電池包，刀片電池可以根據(jù)整車空間，變化電池包X、Y方向的尺寸，開發(fā)不同規(guī)格的電池，這種平臺化的電池有效地降低了開發(fā)費和時間。專利顯示刀片電池方案至少有8種以上，對應(yīng)于不同尺寸電芯和不同的布置，也考慮到了雙層電芯的方案；對于箱體的集成，即有傳統(tǒng)的底盤與箱體分離方案，也有二者集成為一體的集成底盤方案。

6.電池包高度低

有效改善了整車的人機(jī)工程。我們可以看左邊的兩個示意圖。正常電芯的高壓線束和溫度、電壓傳感器都在電芯的上方，都要占據(jù)一定的空間，上箱體要與這些零部件保持至少5mm的距離，而刀片電池的高壓線束和傳感器都在電芯的Y方向，所以上箱體可以直接與電芯接觸，這樣使刀片電池可以比同樣規(guī)格的電池高度節(jié)約10~20mm。比亞迪刀片電池高度的設(shè)計目標(biāo)是乘用車105mm，SUV120mm。

5.刀片電池的缺點

任何新技術(shù)的推廣，也不可免會有一些缺點，接下來我們來看下刀片電池的缺點。

1.絕對”安全“

我們都看了發(fā)布會上刀片電池和三元電池的針刺試驗，可以明顯的發(fā)現(xiàn)三元反應(yīng)劇烈，刀片電池基本沒什么反應(yīng)。比亞迪借助針刺試驗結(jié)果廣泛宣傳刀片電池的安全性。這樣的說法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/span>

針刺試驗是模擬電池發(fā)生熱失控之后的反應(yīng)劇烈程度，刀片電池確實在針刺試驗表現(xiàn)出一些優(yōu)點，實驗現(xiàn)象只能表明刀片電池的熱失控觸發(fā)的溫度比三元電池高，熱失控觸發(fā)時間要比三元電池晚一點，但不能證明刀片電池不會發(fā)生熱失控。而消費者對于電動車的安全認(rèn)知是電動車零自燃，現(xiàn)階段大部分的自燃都是由電芯熱失控引起的，真正的安全是應(yīng)該避免電池?zé)崾Э氐某霈F(xiàn)。

2.低溫性能差

現(xiàn)在電動車普遍有冬季續(xù)航較短的缺點，而刀片電池是磷酸鐵鋰體系，它的低溫性能更差，我們可以看下不同溫度下磷酸鐵鋰和三元的低溫放電電量數(shù)據(jù)，在-30℃時三元的放電容量為86%，磷酸鐵鋰僅有70%，這也是刀片電池需要面對的一個問題。

3.維修成本高

刀片電池所有電芯是通過結(jié)構(gòu)膠固定在一起，意味著后期某個電芯壞了，需要維修的時候，只能通過整包更換維修，維修的成本較高。而傳統(tǒng)電池包，可以通過替換模組就可以解決。

4.依賴性增強

比亞迪關(guān)于刀片電池自稱有300個專利和核心工藝控制點，涉及到材料、電芯、電池和生產(chǎn)，所以主機(jī)廠對供應(yīng)商的開發(fā)和生產(chǎn)有較強的依賴性，會對供應(yīng)商管控和議價提高難度。

6.總結(jié)

通過對刀片電池的分析，刀片電池在當(dāng)下的動力電池產(chǎn)業(yè)中扮演的更像是一個承上啟下的角色。雖然刀片電池目前還存在許多缺點，但是通過1到2年的市場應(yīng)用和技術(shù)迭代，能夠不斷改善這些缺點。

對現(xiàn)有的技術(shù)體系而言，刀片電池在保持不錯的能量密度前提下，降低了電池的成本。對未來的技術(shù)體系而言，刀片電池提供了從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，讓產(chǎn)業(yè)不必局限于材料創(chuàng)新帶來的局限。但刀片電池仍然不是動力電池的最終解決方案，材料本身的性質(zhì)決定了磷酸鐵鋰的局限性，它注定只是屬于未來幾年的技術(shù)路線。不過，無論如何，動力電池產(chǎn)業(yè)的每一次創(chuàng)新都將推動我們離汽車電動化的時代更近一步。

返回第一電動網(wǎng)首頁 >