造车平台化趋势下 动力电池如何进行标准化?
产品标准化的要义无非是在前期研发、中期制造、后期溯源的全过程中寻求最大程度的简化和通用性,在保证产品性能的基础上形成最优的成本方案。
这也是制造业降本增效保质的底层逻辑。
对于汽车行业来讲,标准化的一个主流选择是造车平台化,比亚迪e平台、通用BEV3、丰田E-TNGA、吉利的PMA平台等等,通过动力类型、轴距等变量的调节与限制来进行标准化生产。
动力电池作为整车的零部件之一,势必绕不开整车空间、续航、整备质量、能耗、动力性能等硬性参考指标,加上本身的特性及参数要求,这就意味着电芯的设计有阈值,这是标准化的一个重要前提。
以“尺寸”这一指标为例,我们分别选取2020年和2023年4月份乘用车动力电池(方形)数据,前者共计920余款,后者共1100余款。
虽然电芯数量有明显增加,但是尺寸范围并无大的变动,长、宽、高分别在1000mm、180mm、260mm以下。
在阈值限制的基础上,电芯尺寸开始往某个特定区间集中。长度范围集中在150-220mm左右,宽度在20-80mm左右徘徊,高度上100mm左右成为主流。
从一个面上的波动到围绕一条线上下浮动的转变,正是车企平台化与电池标准化相辅相成的结果。
但是,各车企对于标准化,有各自的理解与定义,所以呈现出来的产品方案会有差异。
比亚迪:960mm长刀覆盖A0到C级车
比亚迪的标准化策略是全面切换刀片电池。
刀片电池尺寸标准锁定为960*13.5(14)*90(102)mm,单体电压做到3.2V、3.3V。主要应用的刀片电池目前有135Ah、150Ah、170Ah三种容量规格,通过增减串联的数量来匹配不同级别车型的电量需求。
除了在规格上的标准化,比亚迪将刀片电池材料体系统统一更换为磷酸铁锂,形成材料、尺寸、容量、电压等各项指标的标准化。
目前,比亚迪刀片电池已经覆盖17款车,由于整车业务的布局,所以算是推电池标准化较快的车企。
上汽“魔方”电池:固定PACK尺寸,通过材料体系变化满足不同电量需求
上汽推出躺式设计的“魔方”电池,也是一种标准化的设计思路。
整个电池包将高度和宽度固定,在高度上进行调节,长度和宽度分别设计为1690mm和1300mm,高度上有110mm、125mm和137mm三种选择。此外,内部还通过电芯不同的串联设计,来匹配整车的电量需求。
除了在电池包尺寸及电芯连接方式上的标准化,魔方电池根据不同的材料体系设计出不同的电池容量,进行容量分级。
低能量密度分别采用钠离子、磷酸铁锂和M3P三种材料体系搭配,容量从44kWh到70kWh,中密度体系主要是5系、6系和高镍三元,容量范围64kWh到100kWh,高能量密度覆盖115kWh到150kWh,采用硅负极和半固态。
上汽做标准化的思路是先固定好CTP方案中PACK的长和宽,然后根据材料的搭配、电池包高度的变化设计不同的电量来满足整车的需求。这种方案对后期PACK里面的电芯肯定会存在一定的限制。
与比亚迪不同的是,上汽主要通过材料的变化来满足不同的电量需求,而比亚迪是统一材料体系,统一电芯尺寸,然后通过电芯数量的变化进行电量分级。这种方案的优势是可以搭配出多种不同材料体系、不同能量密度的电芯,从而使得长寿命、快充等功能的侧重点会有差异,而且在一定范围内能兼容不同尺寸的电芯,但同样可能会产生很多不同型号的电池,标准化的程度相对没那么高。
长城汽车:三种标准化方案 蜂巢能源短刀、长刀方案逐步应用
长城目前主要电池供应商有国轩、宁德和蜂巢这三家,电芯标准化程度也相对较高。
长城电池标准化方案主要有三种,一种方案是长度在148mm左右,一种是长度220mm,通过宽度和高度的变化设计不同容量的电池,第三种方案是蜂巢能源的长刀和短刀方案。
在长度148mm左右的电芯方案中,由于供应商有三家,所以电芯数量相对较多,12种容量的电芯覆盖A00到C级车型。同时,148mm作为宁德时代的主打电芯,覆盖了长城汽车之外的一众车企,这些车企的电芯标准化由宁德时代带动。
长度220mm这款电芯,有113Ah、137Ah和152.1Ah这三种容量选择,但目前主要是1P84S这款,主要搭载在好猫和闪电猫,因为是由蜂巢能源一家供应,所以尺寸相对统一。
同时,作为长城电池事业部独立出来的企业,蜂巢能源的长刀和短刀电池也是进行电池标准化的重点方向之一。
目前蜂巢能源L600型号的长刀电池长度能做到574mm,宽度和高度固定在21.5mm和118mm,单体容量可达179Ah,对应108串和114串两种方案。短刀方案目前可做到304mm和306mm两种长度,单体容量较小。
长城汽车推电芯标准化的决心还是显而易见的,虽然有三家电池供应商,但总体的思路是,国轩高科和宁德时代固定在148mm这个方案,220mm和长刀、短刀方案由蜂巢能源自由发挥。在多家供应商的情况下,长城汽车电池标准化的程度已相对较高。
在电芯长度尺寸固定的情况下,长城电池供应商通过改变电芯的高度和宽度、电压范围以及电芯串联的数量来形成不同的电量,满足不同级别车型的需求。
以上三种标准化思路,归结来看就是固定一些指标,然后设置一些可变的参数,根据参数的变化来满足整车的不同电量需求。
还有一种标准化,是由电池企业来主导,但核心逻辑跟以上三家车企大同小异,以蔚来、理想、小鹏等造车新势力为例,最早只有宁德时代一家电池供应商的情况下,主要就是148mm这款电芯,搭载在小鹏车型单体容量可做到117Ah—187Ah,搭载理想车型主要是110Ah和114Ah这两个容量规格,蔚来车型相对较多,容量规格也相对丰富。
这两种逻辑的标准化,虽然主导对象有差别,但方法论类似。不过,不论是车企主导还是电池企业主导,共同目标都是标准化,避免前期研发过程中的资源浪费,以及中期制造过程中因规格不同给生产过程增加冗余工作量的问题,进而实现最大程度降本。这也意味着,未来有关电池材料、规格、电压、容量等一系列参数最终会因标准化而更加集中。