王傳福的刀法:“大刀”向誰的頭上砍去?


在電動汽車動力電池領域,三元鋰與磷酸鐵鋰兩種電池技術路線的爭鳴已是“老黃曆”。如今,即使是普通消費者,也對兩者的優劣瞭解一二——用三元,續航長;用鐵鋰,更安全。

因為純電動乘用車對續航里程的看重,近幾年鐵鋰在乘用車上的市場佔有率急流勇退。但磷酸鐵鋰的忠實擁躉比亞迪並不服氣,歷時數年潛心打刀,終於推出了在續航上可與三元比肩的“刀片電池”。


王傳福的刀法:“大刀”向誰的頭上砍去?| 科普

3月底,刀片電池在比亞迪重慶工廠正式量產。刀成之際,比亞迪於3月29日為其刀片電池召開發佈會,並在深圳衛視和網絡平臺上進行同步直播。比亞迪董事長王傳福透露,今年夏天,搭載刀片電池的比亞迪純電轎車“漢”將上市,其續航里程將達到600公里。他還宣稱,要憑刀片電池將“自燃”從新能源車的字典中抹掉。

如此聲勢浩大,氣勢洶洶,比亞迪的刀片電池,究竟使的是什麼刀法?大刀又是向誰的頭上砍去?


砍向模組?


刀片電池,顧名思義即形如刀片。比亞迪推出的刀片電池長近1米,厚度在幾釐米,雖然和真正的刀片還有些距離,但相比方頭方腦的磷酸鐵鋰VDA電芯 ,還真是又大又薄。

刀片電池的第一重刀法:安全

在3月29日的發佈會上,比亞迪董事長王傳福親自上陣演示,喊出豪邁之語:“將‘自燃’從新能源車的字典中抹掉”。

王傳福敢這麼說,是有底氣的。在一段對三元鋰電池、傳統磷酸鐵鋰電池、 刀片電池的針刺試驗視頻中,刀片電池不僅不起火冒煙,甚至表面溫度連個雞蛋都煎不熟(溫度達60℃時,蛋清凝固),而三元鋰電池則是直接爆炸起火。需要說明的是,針刺試驗是模擬極端情況、對電池要求最嚴苛的安全性能測試。


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中科院院士、清華大學教授歐陽明高給出的科學解釋是,除開磷酸鐵鋰本身產熱少、溫升慢的特質,刀片電池一來散熱面積大,二來內部疊片的層數較少(因而針刺刺穿層數少、釋熱少)。因此,刀片電池通過刀片似的形態,在磷酸鐵鋰的基礎之上,又在安全特性再上一層樓。


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不過,刀片電池之所以做成刀片,還考慮了第二重刀法:系統能量密度,或者說效率

在發佈會上,比亞迪對其刀片電池給出了這樣的數據:空間利用率提高50%,能量密度提升50%。對於平均每年能量密度進步不到10個百分點的電池來說,刀片電池的數據提升令人吃驚。

而刀片電池能夠達成這樣不可思議的數據,關鍵在於巧勁——不是在進步緩慢的材料革新上硬碰硬,而是在電池結構上下功夫,將傳統動力電池系統的三級集成,精簡為兩級集成,在組裝過程中去掉了“中間商”——模組。在沒有“中間商賺差價”的情況下,刀片電池在電池包有限的空間內,裝下了更多電芯。

此前,純電動汽車在經過了較長時間的發展後,對動力電池在車上的佈置形成了一套約定俗成的集成方式:電芯(Cell)-模組(Module)-電池包(Pack)。這一集成過程,與“磚頭-房間-房子”的房屋修建過程頗有些類似(只不過,真實的房子人們在意的是房間大小,而在電池包的集成中,最重要的是電芯這塊“磚”,要儘可能多裝)。

在傳統的三級集成中,電芯往往在組成電池包前,以數個至數十個的規模組成“模組”。在模組這一級的集成中,模組間會以橫樑或者縱梁隔開。這其中,橫縱梁不僅僅把電池分隔開,同時它也相當於電池包的“承重牆”,在電池包遭受外力侵襲時,它能夠支撐結構(因此也叫結構件),減小電池包箱體的形變,防止電芯受到擠壓導致熱失控。


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(電池模組中的橫縱梁)

可以說,模組的成組思路,一方面有效地提升了電池包整體的安全性,另一方面也是適應標準化電芯的要求。

不過,從電池包空間利用率、成本兩個維度考慮,由電芯到模組、再由模組到電池包的集成方式,卻並不是最優解。主要的問題在於,模組一級集成中,有不少空間與預算都花在了電芯之外:其一,扮演承重牆角色的橫縱梁體積不小,且價格不便宜;其二,電芯先成模組再成包的方法, 使得大量的走線也佔用了空間、消耗了成本。

刀片電池給出的解法是:砍掉模組。然而,房子沒了承重牆會垮塌,同樣電池包也必須有所支撐來保證結構強度。而接下來的工作才是刀片電池藝高人膽大之處——將單枚電芯做到電池包那麼長,通過層層堆疊,讓電芯承擔起支撐電池包的作用。這就好比,把一塊磚拍扁、拉長、加大,直接做成了一面薄牆。


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在比亞迪的刀片電池技術中,最多支持一百道這樣的“電芯薄牆”堆疊,聚少成多之後,它們取代了原本橫縱梁扮演的承重牆。同時,由於刀片電池的極耳設置在首尾兩端,因此其走線也最大程度地得到簡化——如此,既保障了安全,也節省了成本,還提升了電池包能量密度。

由此,比亞迪刀片電池的兩套刀法,砍掉了模組,也精準地砍在了安全、成本、能量密度這動力電池三要素上。部分媒體與資本市場將其稱為比亞迪電池的“翻身之作”,也便不難理解。


砍向三元鋰?


市場上頗有些聲音認為比亞迪“刀法新奇”,將藉此在動力電池市場“收復失地”。但事實上,從工程方法的底層思路上來看,比亞迪的刀片電池並不算是異類。

在動力電池行業,為了提升能量密度、降低成本,不要模組這個中間商,而是由電芯直接組成電池包的兩級集成技術已經越來越熱,這便是CTP(Cell To Pack)。

去年,寧德時代通過與北汽新能源的項目合作,發佈了面向乘用車三元鋰電池的CTP技術。其實,寧德時代的CTP技術源自其商用車業務,在純電動大巴上率先實現無模組設計後,再導入到乘用車領域來。


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這反映出的一個事實是,由於CTP技術取消了模組設計中起到安全作用的結構件,因此對電池本身的安全表現有更高的要求。而磷酸鐵鋰電池由於其本身安全特性,在應用CTP的過程中,能夠更好地抵消無模組設計帶來的不利影響。

與此同時,比亞迪的刀片電池不僅通過CTP的技術思路,補上了磷酸鐵鋰電池單體能量密度低的短板,在車輛續航里程錶現上取得突破,而且有助於降低電池價格成本。可以說,刀片電池的工程創新,很好地幫助磷酸鐵鋰電池做到了揚長避短。

在發佈會上,負責主持刀片研發、生產的比亞迪子公司弗迪電池董事長何龍透露,“幾乎所有你聽說過的汽車品牌”,都在與比亞迪探討關於刀片電池的合作。毫無疑問,刀片電池承載著比亞迪電池業務發揮傳統優勢,拿下更多乘用車市場份額的重任。


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不過,在動力電池市場攻城略地之前,比亞迪在發佈會上對深層信息的不予披露,加之刀片電池有些飄忽的刀法,還是讓諸多行業人士尤其是動力電池從業者有所疑慮——一步到位製造如此大的單體電芯,將在生產環節面臨巨大的挑戰。

其實,刀片電池的形態並非首次出現。在比亞迪之前,LG已經在發展又長又扁的軟包電芯,並且投入了使用,但其長度不過數十釐米。而比亞迪在此前並無量產類似規格電芯的前提下,製造近一米長的大電芯,將面對的是大範圍的生產工藝更新,不僅需要重新調整,乃至研發設計或購買各個工序的機器設備,相關的生產經驗也需要再累積、磨合。


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(LG的扁條狀電芯,用於奔馳EQC)

比如,磷酸鐵鋰由於其化學特性,先天存在電芯一致性不易把控的問題。選擇製造大電芯,會使這一矛盾更加突出,需要在塗布、輥壓等環節更加重視材料的均勻。

又如,生產刀片電池需要採用的疊片工藝,在此時會面臨更嚴苛的精度要求,對誤差的容忍度更低。

而類似的問題還有很多。某種程度上,比亞迪的刀片電池是在挑戰電池工程的極限,也是對電池生產的一次大考。因此,對近乎整個生產工藝都要調整的刀片電池,行業人士對其多持謹慎態度,認為其可靠性需要持續觀察,進一步驗證。

事實上,即便是幾乎所有車企都在與比亞迪探討就刀片電池的合作,也並非意味著比亞迪就能以刀片電池完成對市場的統治。

一方面,車企的產品規劃工程師雖然對磷酸鐵鋰在乘用車上的應用開始重新重視,但考慮到磷酸鐵鋰的理論能量密度上限較低、自重較大,主流的思維仍然是“

高端用三元鋰,中低端用磷酸鐵鋰”。

另一方面,磷酸鐵鋰藉助刀片電池實現進化的同時,三元鋰也在藉助CTP的技術思路,尋找安全與能量密度平衡的更優解。比如,蔚來今年下半年將推出的100kWh電池包,就使用了寧德時代的CTP技術。據路由社所知,為了保障安全,該電池包選用的正極材料並非單體能量密度最高的NMC811,而是採用了NCM622或者NCM523。

顯然,無論是哪種動力電池,都在奔向系統能量密度更高、價格更低、安全性更好的終極目標,車企與消費者最終選擇的並不是技術路線,而是實際效果。

最後,留一個思考題。

過去數年,比亞迪並非只是在磷酸鐵鋰電池領域“篳路藍縷”,同樣在三元鋰電池的研發上也投注了相當多的精力與資源。並且,比亞迪也有為數不少的搭載三元鋰電池上市的純電動車型,其中包括續航突破500公里、售價近30萬的唐EV。

如今,比亞迪為力推刀片電池,各種“暴擊”三元鋰電池。這究竟意味著三元鋰路線在比亞迪動力電池中的式微,還是為了推廣品牌立身之本的權宜之計?


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