導(dǎo)讀
上世紀(jì)九十年代初,我國制訂了“以市場換技術(shù)”的對外主要工業(yè)經(jīng)濟(jì)政策,希望依靠引進(jìn)外商來實(shí)現(xiàn)工業(yè)技術(shù)進(jìn)步,它可以由“三段式”的邏輯來概括:先引進(jìn)外國先進(jìn)技術(shù),再消化實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,最后實(shí)現(xiàn)自主開發(fā),筆者畢業(yè)后的第一份工作就是引進(jìn)德國輕工機(jī)械進(jìn)行消化吸收。
但改革開放四十年的工業(yè)發(fā)展實(shí)踐證明,如果沒有自主創(chuàng)新,就沒有一個企業(yè)和工業(yè)部門能走通這三階段,結(jié)果讓出了市場卻沒有換來技術(shù)。比如汽車工業(yè),盡管一直要求自主開發(fā),但走上合資道路的部分車企,做的卻是把外資淘汰車型外觀拉個皮換個商標(biāo),有時甚至連拉皮都懶得拉,只換個商標(biāo)就投放國內(nèi)市場。
相反的,倒是近十年來,隨著市場開放與純電動汽車的興起,出現(xiàn)了新造車勢力,中國轎車工業(yè)才正式走上了自主開發(fā)的道路。作為純電動汽車核心部件的動力電池發(fā)展,就是典型的靠著自主研發(fā)創(chuàng)新,做成了全球產(chǎn)業(yè)鏈最齊全、產(chǎn)銷量最大的產(chǎn)業(yè),不僅包攬全球產(chǎn)銷第一第二名,前十名中更是有六七家中國企業(yè)。
本文試著以方形動力電池結(jié)構(gòu)演變的視角,闡述自主研發(fā)創(chuàng)新才是中國工業(yè)追趕甚至超越的必經(jīng)之路,供產(chǎn)業(yè)鏈從業(yè)人員、企業(yè)管理研究機(jī)構(gòu)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)、政府政策研究部門等參考。
方型電池的前身今生
回顧方形電池的發(fā)展史,最早的起源還要追溯到日本。
早期,在鋰離子二次電池剛剛商業(yè)化,封裝形式百花齊放的年代,方形電池這種形狀就已經(jīng)出現(xiàn),但是由于早期采用鋼制的外殼,比能量的優(yōu)勢很難發(fā)揮,市場認(rèn)可度并不高。
1995年,三洋電機(jī)上市了鋁合金外殼的方形鋰電池,重量比鋼制外殼減輕30%左右。由于重量輕,且形狀規(guī)整、空間利用率高,方形電池逐步在手機(jī)、筆記本電腦等3C領(lǐng)域采用來替代圓柱電池,但后因智能手機(jī)對于輕薄化的極致需求又被軟包電池逐步取代。三洋被松下收購后,方形電池在小規(guī)模供應(yīng)豐田、大眾、福特的混動車型后,便被松下束之高閣,之后便專注于綁定特斯拉的圓柱電池路線。
其實(shí)很容易理解,當(dāng)時圓柱電池已形成一系列國際上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和型號,工藝成熟,成本優(yōu)化,制造技術(shù)領(lǐng)先,適合大批量連續(xù)化生產(chǎn),相對規(guī)格型號多、工藝不成熟的方形電池的生產(chǎn)難度就低多了。彼時的方形電池還是無法與圓柱電池對抗的。
方形電池進(jìn)入車用領(lǐng)域
在車用領(lǐng)域,方形電池幾乎與圓柱電池同時進(jìn)入,只是沒有特斯拉這樣的知名車企、車型支撐,方形電池剛開始的知名度并不高。
2008年,寶馬開始布局新能源,在全球考察遴選動力電池供應(yīng)商,德國人對各類電池都持開放態(tài)度,只是在嘗試階段死守一條基本底線不放,就是一切都要為安全讓路。德國人認(rèn)為將動力電池的安全風(fēng)險降至最小,就需要用車規(guī)級研發(fā)和設(shè)計的產(chǎn)品,最終出臺了A-B-C-D四個順序樣件的具體方案。
方形電池結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高的特點(diǎn),讓他們最終選擇了方形電池。三星SDI抓住時機(jī)與寶馬合作,在2009年推出了搭載方形電池的寶馬i3原型車Megacity,由此三星成功進(jìn)入寶馬供應(yīng)鏈,為寶馬i3、i8、iX系列車型供應(yīng)方形電池。之后寶馬i3在全球范圍內(nèi)形成銷量,至此方形電池才得以順利打開動力電池市場。
歐洲推出VDA及MEB標(biāo)準(zhǔn)
VDA是“德國汽車工業(yè)聯(lián)合會”的縮寫,是由六百多家來自德國汽車工業(yè)整車廠和供應(yīng)商企業(yè)組成的協(xié)會組織(德國汽車工業(yè)聯(lián)合會質(zhì)量管理中心),旨在研究和生產(chǎn)面向未來的清潔安全汽車。在經(jīng)濟(jì)、運(yùn)輸、環(huán)境政策、技術(shù)立法、標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量保證等方面通過具體的活動支持德國汽車工業(yè)的發(fā)展。
VDA電池標(biāo)準(zhǔn)尺寸在2012年前后推出,其實(shí)就是一系列統(tǒng)一的模組標(biāo)準(zhǔn),無論電芯是圓柱還是軟包、方形,先做成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模組,以便設(shè)計與維修更換等。標(biāo)準(zhǔn)模組的提出,是產(chǎn)業(yè)上下游不斷博弈和探索的結(jié)果,自推出以來,VDA標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在歐洲經(jīng)過了多年實(shí)車驗(yàn)證,也在寶馬、大眾等品牌上得到廣泛的應(yīng)用。
VDA電芯標(biāo)準(zhǔn)尺寸“355模組”就是依據(jù)單一模組長度為355mm來起名字的。這種模組也是國內(nèi)此前應(yīng)用最多的模組規(guī)范。寧德時代則是最早從VDA355這款模組上發(fā)展使用不同厚度的電芯(1倍、1.5倍、2倍、3倍厚),它的示范效應(yīng)與迅猛發(fā)展使得這一標(biāo)準(zhǔn)的方形電芯全面推廣應(yīng)用開來。
考慮到使用355模組車輛空間利用率不足(放3個富裕,4個放不進(jìn)去),于是“390模組”出現(xiàn)了。
2018年,大眾宣布全面進(jìn)軍電動化,推出模塊化電驅(qū)平臺MEB,并向其它車企開放MEB采用的“590模組”。這個代表性模組可以說是基于很多共性技術(shù)平臺而設(shè)計的,對于主機(jī)廠和動力電池廠商而言可以大幅降低成本,提高生產(chǎn)效率。
中國市場發(fā)展催生從油改電跨步到正向設(shè)計新車型的時代
2023整年可估測新能源汽車銷售近900萬臺,我們基于這個數(shù)據(jù)洞察一下市場發(fā)生了什么。
《2023中國汽車置換消費(fèi)洞察》數(shù)據(jù)顯示,消費(fèi)者置換選擇里,選擇轎車的減少17.6%,SUV增加15%,MPV增加2.6%;SUV車主的忠誠度最高,基本上只是換更大的SUV,因?yàn)閾Q車家庭一般都是家庭的重大節(jié)點(diǎn)購車,結(jié)婚或者有娃及二娃。這些年中國車市SUV受歡迎而各大車企為此展開了一輪新車角逐,可喜的是這些新車型多摒棄了油改電舊平臺,采用了新設(shè)計新平臺,因而并不兼容原版歐洲車企的設(shè)計。
對比新能源汽車早期,電壓平臺也發(fā)生了變化,甚至開始上了800V平臺。
對比歐洲市場早期以三元體系為主流,而中國主流搭載的是磷酸鐵鋰電芯,需要更高的體積空間利用效率。
比亞迪是以電池起家后轉(zhuǎn)入造車的,而且比亞迪造車使用的又是磷酸鐵鋰電池,所以它是不遵循有利三元的德國VDA標(biāo)準(zhǔn)的,其從電池設(shè)計開始就考慮電池與車輛的匹配,電芯尺寸超越同期其它電池企業(yè)。例如,比亞迪2008年推出的F3DM的PHEV電芯尺寸是356*100*28mm,已經(jīng)超過后期VDA EV(173*115*45mm)的尺寸了,極柱引出方向也不同于VDA,而是分別從兩頭的小面引出。
從比亞迪動力電池的尺寸可以看出,其基本思路就是將電芯做長做薄,并將極柱從最小的兩個面引出。這個思路后來形成了比亞迪主推的刀片電池。
從比亞迪開始,中國車企基于自主研發(fā)與市場定位、需求不同等原因,并沒有朝著歐洲VDA/MEB平臺模組方向走,而是開始走出具有中國特色的動力電池道路。
短刀片走向臺前
盡管車型不同,但是每輛車可以利用的、可供電池安裝的底盤位置,是有共性的。在最大限度利用空間的原則下,模組尺寸和擺放方式,只存在有限的幾種可能:中央通道、前排座椅下方、后排座椅下方、行李后備箱下方或后軸上方兩輪之間,那么:1,電芯Z向高度空間,受限在110mm內(nèi),以利于減小整車風(fēng)阻,最好留給容量,兩邊布線,側(cè)面出極柱;2,基于特定平臺,擴(kuò)展數(shù)個車型,基于短刀電芯結(jié)構(gòu)滿足了電池布局的最大共性,電芯尺寸的長度規(guī)范在300mm/ 400mm/ 600mm,高度由車型下平臺的底盤空間定制為92~120mm,厚度在VDA26mm內(nèi),以更薄的尺寸配合各種容量變化的調(diào)整。
對比方形電池結(jié)構(gòu)和型號示意圖
不同于比亞迪的電池主要自用,可以在設(shè)計車輛時預(yù)留空間給近1米長度的刀片電池。2019年4月在上海汽車展上,蜂巢能源公開展示了其長度600mm的短刀電池。
蜂巢和比亞迪有幾分相像,都是車和電池緊密聯(lián)系的企業(yè),從車的角度考慮電池系統(tǒng)和電芯的設(shè)計,蜂巢能源更以新的思路優(yōu)化了方形電池的形狀。
蜂巢能源分析了當(dāng)前市場上的主銷車型寬度,主流的A0-A,以及B級以上的平臺,空間X方向長度1150~1300mm,但如果選擇1米等較長度做電芯,勢必會顧此失彼,某款車可能匹配較好,另外一些或者裝不下,或者空間利用率低,這就違背了最大共性的原則,降低了對市場主流乘用車的適配性和靈活性。
那么以長薄短刀電芯為基礎(chǔ)設(shè)計底盤平臺是車輛動力學(xué)和成本(電池成本需要考慮電芯材料組成、制造技術(shù)及體積利用率)之間的平衡,從緊湊型轎車到SUV到VAN車型搭載各電池包進(jìn)行容量擴(kuò)展,以容納各款電芯并提供更長續(xù)航;在底盤中央位置布局電池包,保障較大離地間隙,又盡少侵占車內(nèi)乘用空間,同時帶來寬敞的內(nèi)部空間和更好的操控性能;而在日后維修保養(yǎng)上,通用率更高的零配件也降低了用戶日后用車的費(fèi)用,可謂一石三鳥。
也就是說,短刀設(shè)計考慮的可能不是單獨(dú)為一款車準(zhǔn)備的,而是為汽車集團(tuán)的系列車型準(zhǔn)備的。
結(jié)合車型需求,蜂巢能源推出了L600、L500、L400的短刀片電芯。
具體看,L6規(guī)格的電芯具有兩種排布方式,如下圖所示,可以覆蓋到市場上主銷80%的車型。
圖示:以L600為例電池布局方式
近兩年P(guān)HEV市場快速崛起,搭載10~40度電,電池包電量較小,空間需要有效利用,L400的電芯更受到車企的廣泛歡迎。L400憑借靈活的尺寸以及高能量密度,對應(yīng)的PHEV電池包也可以采用CTP結(jié)構(gòu),體積利用率得到提升,電量更高,續(xù)航更長。
在第372批次公告中,蜂巢能源配套的新能源乘用車車型達(dá)到12款,其中PHEV車型8款。而在373批次公告中,蜂巢能源分別為長城、理想、吉利、嵐圖等多個車企的8款新能源乘用車車型提供電池配套,其中PHEV占到6款,充分顯示出其在插混市場的受歡迎程度。
正是因?yàn)檐囆偷倪m配度問題,比亞迪在插混車型上實(shí)際使用的也是短刀片。例如,比亞迪秦DMI車型,采用的就是240mm長度的電芯,唐DMI采用的則是152mm長度的電芯,而不是早期宣傳的長刀片。
寧德時代也有向長薄化進(jìn)展的趨勢,例如一款電芯的尺寸是300*117*27mm,更形似一個更短的刀片,但是極柱仍是頂部單側(cè)的。
蜂巢能源創(chuàng)新的短刀片品類,比圓柱4680系列更早一步確立了市場地位,已經(jīng)被國內(nèi)外車企廣泛接受。一系列友商都在跟隨短刀片品類來設(shè)計新品,相信短刀片形狀正在成為方形電芯的主流形狀,甚至有望成為方形動力電芯的終極形態(tài)。
最后
扎根于市場,探索用戶需求,大膽正向研發(fā),自主創(chuàng)新,才有可能創(chuàng)造出平分天下的重器,在動力電池發(fā)展實(shí)踐中,正向設(shè)計產(chǎn)生效益的經(jīng)驗(yàn)值得贊賞。
新時代,新征程,科技創(chuàng)新的星辰大海,令我們心潮澎湃。在這百年未遇之大變局之際,不要袖手旁觀,大膽躬身入局,挺膺負(fù)責(zé),讓生命之光閃耀在這個日新月異的時代舞臺上!
(本文作者顧國洪,目前擔(dān)任江蘇大學(xué)新能源汽車專精特新產(chǎn)業(yè)學(xué)院副院長)
本文來自投稿,不代表增長黑客立場,如若轉(zhuǎn)載,請注明出處:http://m.allfloridahomeinspectors.com/cgo/model/110778.html