導(dǎo)讀

上世紀(jì)九十年代初，我國(guó)制訂了“以市場(chǎng)換技術(shù)”的對(duì)外主要工業(yè)經(jīng)濟(jì)政策，希望依靠引進(jìn)外商來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，它可以由“三段式”的邏輯來(lái)概括：先引進(jìn)外國(guó)先進(jìn)技術(shù)，再消化實(shí)現(xiàn)國(guó)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(guó)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(gè)企業(yè)和工業(yè)部門能走通這三階段，結(jié)果讓出了市場(chǎng)卻沒有換來(lái)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(gè)皮換個(gè)商標(biāo)，有時(shí)甚至連拉皮都懶得拉，只換個(gè)商標(biāo)就投放國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

相反的，倒是近十年來(lái)，隨著市場(chǎng)開放與純電動(dòng)汽車的興起，出現(xiàn)了新造車勢(shì)力，中國(guó)轎車工業(yè)才正式走上了自主開發(fā)的道路。作為純電動(dòng)汽車核心部件的動(dòng)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(guó)企業(yè)。

本文試著以方形動(dòng)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(guó)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(shì)很難發(fā)揮，市場(chǎng)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(lái)替代圓柱電池，但后因智能手機(jī)對(duì)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(gòu)后，方形電池在小規(guī)模供應(yīng)豐田、大眾、福特的混動(dòng)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(shí)圓柱電池已形成一系列國(guó)際上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和型號(hào)，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(duì)規(guī)格型號(hào)多、工藝不成熟的方形電池的生產(chǎn)難度就低多了。彼時(shí)的方形電池還是無(wú)法與圓柱電池對(duì)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(shí)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(dòng)力電池供應(yīng)商，德國(guó)人對(duì)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(guó)人認(rèn)為將動(dòng)力電池的安全風(fēng)險(xiǎn)降至最小，就需要用車規(guī)級(jí)研發(fā)和設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，最終出臺(tái)了A-B-C-D四個(gè)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(shí)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(dòng)力電池市場(chǎng)。

歐洲推出VDA及MEB標(biāo)準(zhǔn)

VDA是“德國(guó)汽車工業(yè)聯(lián)合會(huì)”的縮寫，是由六百多家來(lái)自德國(guó)汽車工業(yè)整車廠和供應(yīng)商企業(yè)組成的協(xié)會(huì)組織(德國(guó)汽車工業(yè)聯(lián)合會(huì)質(zhì)量管理中心)，旨在研究和生產(chǎn)面向未來(lái)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(guò)具體的活動(dòng)支持德國(guó)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(wú)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(jì)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(lái)，VDA標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在歐洲經(jīng)過(guò)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(zhǎng)度為355mm來(lái)起名字的。這種模組也是國(guó)內(nèi)此前應(yīng)用最多的模組規(guī)范。寧德時(shí)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(lái)。

考慮到使用355模組車輛空間利用率不足(放3個(gè)富裕，4個(gè)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(dòng)化，推出模塊化電驅(qū)平臺(tái)MEB，并向其它車企開放MEB采用的“590模組”。這個(gè)代表性模組可以說(shuō)是基于很多共性技術(shù)平臺(tái)而設(shè)計(jì)的，對(duì)于主機(jī)廠和動(dòng)力電池廠商而言可以大幅降低成本，提高生產(chǎn)效率。

中國(guó)市場(chǎng)發(fā)展催生從油改電跨步到正向設(shè)計(jì)新車型的時(shí)代

2023整年可估測(cè)新能源汽車銷售近900萬(wàn)臺(tái)，我們基于這個(gè)數(shù)據(jù)洞察一下市場(chǎng)發(fā)生了什么。

《2023中國(guó)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(chéng)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(gòu)車，結(jié)婚或者有娃及二娃。這些年中國(guó)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(tái)，采用了新設(shè)計(jì)新平臺(tái)，因而并不兼容原版歐洲車企的設(shè)計(jì)。

對(duì)比新能源汽車早期，電壓平臺(tái)也發(fā)生了變化，甚至開始上了800V平臺(tái)。

對(duì)比歐洲市場(chǎng)早期以三元體系為主流，而中國(guó)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(guó)VDA標(biāo)準(zhǔn)的，其從電池設(shè)計(jì)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(guò)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(dòng)力電池的尺寸可以看出，其基本思路就是將電芯做長(zhǎng)做薄，并將極柱從最小的兩個(gè)面引出。這個(gè)思路后來(lái)形成了比亞迪主推的刀片電池。

從比亞迪開始，中國(guó)車企基于自主研發(fā)與市場(chǎng)定位、需求不同等原因，并沒有朝著歐洲VDA/MEB平臺(tái)模組方向走，而是開始走出具有中國(guó)特色的動(dòng)力電池道路。

短刀片走向臺(tái)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(tái)，擴(kuò)展數(shù)個(gè)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(zhǎng)度規(guī)范在300mm/ 400mm/ 600mm，高度由車型下平臺(tái)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(duì)比方形電池結(jié)構(gòu)和型號(hào)示意圖

不同于比亞迪的電池主要自用，可以在設(shè)計(jì)車輛時(shí)預(yù)留空間給近1米長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)，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(chǎng)上的主銷車型寬度，主流的A0-A，以及B級(jí)以上的平臺(tái)，空間X方向長(zhǎng)度1150~1300mm，但如果選擇1米等較長(zhǎng)度做電芯，勢(shì)必會(huì)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(duì)市場(chǎng)主流乘用車的適配性和靈活性。

那么以長(zhǎng)薄短刀電芯為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)底盤平臺(tái)是車輛動(dòng)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(zhǎng)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(shí)帶來(lái)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(shuō)，短刀設(shè)計(jì)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(zhǎng)。

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(zhǎng)城、理想、吉利、嵐圖等多個(gè)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(chǎng)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(zhǎng)度的電芯，唐DMI采用的則是152mm長(zhǎng)度的電芯，而不是早期宣傳的長(zhǎng)刀片。

寧德時(shí)代也有向長(zhǎng)薄化進(jìn)展的趨勢(shì)，例如一款電芯的尺寸是300*117*27mm，更形似一個(gè)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(chǎng)地位，已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外車企廣泛接受。一系列友商都在跟隨短刀片品類來(lái)設(shè)計(jì)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(dòng)力電芯的終極形態(tài)。

最后

扎根于市場(chǎng)，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(dòng)力電池發(fā)展實(shí)踐中，正向設(shè)計(jì)產(chǎn)生效益的經(jīng)驗(yàn)值得贊賞。

新時(shí)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(gè)日新月異的時(shí)代舞臺(tái)上！

(本文作者顧國(guó)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(zhǎng))