动力电池体积利用率计算

前言：通过电芯与Pack之间的关系，介绍不同结构动力电池/电芯的体积利用率，这将更加有利于诸君对‘利用率达到XX%’的理解。由于文中会涉及到电池包体积的计算，因此在此我们需要先对标准的长方体的长、宽、高进行一下定义，以免有争议。我们定义长方体的最长边为长，于长边处于同一水平面的第二长边为宽，最短边为高，于坐标系中如下图所示：图1

定义长方体长宽高通过上述的定义，我们可对标准的长方体形的电池包在不同轴向长度发生变化时，伴随着其体积的变化进行对比：表1

不同轴向变化引起的体积变化对照表轴向提升长度（mm）提升空间VX△VX=△X*Y*ZYVY=X*△Y*ZZVZ=X*Y*△Z我们对比上述体积可知，当分别在不同轴向上提升△mm时，对于所提升的体积关系是：VZ＞VY＞VX。因此我们可得出结论：在长方体形电池包的空间体积中，X、Y、Z三维方向对于系统提升其利用率的意义是不同的，经测算，Z向的利用率在电池系统中最为关键。因此为了提升长方体形动力电池的体积利用率，应该在Z轴向的利用率上多下功夫。举个例子，假如我们有下图尺寸的电池包，当分别将X、Y、Z三向提升1mm时，通过计算便可得到随之提升的空间体积：

图2电池包尺寸表2轴向提升时随之而来的空间变化轴向提升长度（mm）提升空间（L）X11*1200*150=0.18Y1600*1*150=0.24Z1600*1200*1=1.92我们知道“电池包体积利用率=（电芯体积/Pack体积）*100%”，根据上述结论，尽可能的提升电芯在排列时Z轴向的利用率，可以更加有效的将Pack体积利用起来，因此电芯的排列结构便成为了一项可研究的课题。如在以前的文章中我们曾有介绍到有些企业采用‘躺平式’电芯布置，这便是为了提升Z轴向利用率的典型案例。图3

躺平式设计提升Z轴空间利用率而为了进一步提升体积利用率，去除电芯壳体直接将卷芯集成到模组中（‘大电芯’）的技术路线也被得以研究，所以在之前的文章中我们曾说国轩高科的JTM技术让体积利用率再次提高，诸君这会儿应该有更深刻的理解了吧。图4

电芯中的无效空间除了从结构上出发将空间利用到极致之外，目前亦有企业开始通过新技术手段来提升空间的利用率。诸君应也清楚，在动力电池pack时，除了电芯、壳体之外，线束等电气件也占据着重要作用，同时所需空间也不小，若能将线束减少，亦是提升空间利用率的有效手段。目前诞生的wBMS技术便可减少线束在电池包中的使用。

图5

新技术加持提升空间利用率对于动力电池的体积利用率计算，我们分为两部分：电芯体积利用率以及电池包体积利用率。提升电芯体积利用率亦是提升电池包体积利用率的一种形式。电芯体积利用率：对于长方形电芯或圆柱形电芯在计算其体积利用率时我们对于边界的取值方式如下：圆柱形电芯：图6

圆柱形电芯边界取值通过上图取值可分别计算Z轴、R向以及体积利用率，计算公式整理如下表：表3

圆柱形电芯不同轴向利用率计算

这里以4680电芯的尺寸为例，其相关参数如下图所示：图7

4680电芯参数按照上表公式我们可分别得到不同轴向的利用率：表4

4680电芯不同轴向利用率利用率轴向计算结果Z轴95.00%R向93.37%体积88.70%长方体形电芯：图8长方体形电芯边界取值注：在俯视图中卷芯并非标准矩形，而是带有倒角的，因此在计算其面积时需要注意（计算时为了方便可做个等效处理，尽可能的接近实际），同样的，在取Y轴的卷芯长度时，由于倒角原因，直接取L2为计算值会使得结果有些许偏差。若只为得到近似值结果，那么直接取值也无关紧要。按照上图取值边界以及在上图坐标系下，可分别得到X

、Y、Z轴向以及体积的的利用率，公式整理如下表：表5

长方体形电芯不同轴向利用率计算注：在取电芯体积时，正负极耳也是其一部分，若精确计算时最好将其也作为分母的一部分，本文由于无数据，所以暂时不取极耳体积。以VDA的电芯为例，其相关参数如下图：图9方形电芯参数在不取等效的前提下，各轴向及体积利用率分别是：表6

长方体形电芯不同轴向利用率利用率轴向计算公式X轴91.14%Y轴97.3%Z轴93.2%体积82.65%在取了等效的前提下，各轴向及体积利用率分别是：表7

长方体形电芯不同轴向利用率利用率轴向计算公式X轴91.14%Y轴95.95%Z轴93.2%体积81.50%通过对比，我们可以得出就电芯而言，4680的体积利用率高于长方体形电芯。以上便是关于电芯利用率相关计算方式，虽做不到100%精确，但可快速的对产品进行较准确的预估。电芯体积利用率计算之后，接着便是电池包体积利用率，在计算电池包的体积利用率时，所取用的pack计算边界对结果的影响同样很大。在这里我们需要先规定运算规则：对于应用了CTC技术的电池空间利用率计算方式是，由于电气件、吊点等所需空间已集成到底盘，因此计算时不取用这些数据，仅取用电芯实际在底盘中的占用空间，如下图：图

10CTC技术电池包边界上述方式中的电池包空间利用率=（电芯体积*电芯数量）/电芯在底盘的占用空间。根据不同的设计方式，电芯数量也有所不同，若在固定空间中让利用率最大化，那么电芯数量便需要最大，但同时所需的散热空间、线束、隔热等空间也会增加，需要相互平衡取最优值。应用CTP技术的电池包由于电气件、吊点等是在电池包壳体上的，属于电池包的一部分，因此在计算整体的空间利用率时，建议将此部分体积加上计算。图11

CTP技术电池包边界选取按照上述规定，以采用上述长方体形电芯的宁德时代CTP3.0麒麟电池为例（未取值掉点等体积），如下：图12

麒麟电池参数通过上述尺寸，可分别计算不同功率下的电池包体积利用率：表8

不同功率麒麟电池体积利用率功率电池包尺寸

（不含外围电气）电芯个数电芯单个体积体积利用率63kwh1486.5*1013*12196148*79*10363.45%96kwh2105.46*1013*112.514472.27%计算结果与官方数据还是一致的。图13

CTP3.0官方体积利用率

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