新能源汽車電池包輕量化具體如何理解？
來(lái)源：未知
2019-03-15 11:33
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純電動(dòng)汽車是指僅由電力驅(qū)動(dòng)的車型，其中的電力儲(chǔ)存在電池包中。鑒于目前的電池包能量密度及汽車?yán)m(xù)航要求等原因，電池包通常都有幾百公斤。由于電動(dòng)車增加了電池包，其整車重量勢(shì)必增加，這也要求我們對(duì)原有的車身結(jié)構(gòu)做更多的精細(xì)化設(shè)計(jì)。以上這些，都給新能源汽車的輕量化開(kāi)發(fā)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。作為新能源汽車的關(guān)鍵部件，電池系統(tǒng)的輕量化又該如何進(jìn)行呢，我們今天就一起來(lái)看看吧。
新能源汽車更需要輕量化
新能源汽車NEV（New EnergyVehicle）是指采用非常規(guī)車用燃料作為動(dòng)力源的汽車?？梢苑譃榧冸妱?dòng)汽車（BEV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）、增程式電動(dòng)汽車（EREV）及燃料燃料電池電動(dòng)汽車（FCV）等。下面我們一起看看2018年新能源車型的銷量情況。
今天我們要談的電動(dòng)汽車屬于新能源汽車的一種，電動(dòng)汽車一般包括電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)以及一些其他周邊設(shè)備。說(shuō)白了就是三大電，電池、電機(jī)和電控，下圖展示了電動(dòng)汽車的部分特有部件。
1、續(xù)航要求推動(dòng)輕量化
電池組的容量越大，汽車儲(chǔ)能能力就越強(qiáng)，續(xù)航里程相對(duì)就越大。但電池組的增加勢(shì)必使車輛重量加大，更會(huì)影響整車性能且將增加汽車的制造成本。
新能源純電動(dòng)汽車的電池容量一般以千瓦時(shí)（KW·h）為單位。美國(guó)規(guī)定電池包容量大于等于16kwh可以拿滿7500美元的聯(lián)邦補(bǔ)貼，當(dāng)然，一般純電車型都會(huì)超過(guò)這個(gè)容量。
2、補(bǔ)貼退坡更需輕量化
此前有消息稱，2019年新能源汽車補(bǔ)貼退坡將達(dá)到50％。根據(jù)這樣計(jì)算，如果有一輛400公里續(xù)航的電動(dòng)車（2018年補(bǔ)貼約5萬(wàn)元），2019年再去購(gòu)買估計(jì)得需要更貴個(gè)2－3萬(wàn)。
電動(dòng)汽車的電池包
電池系統(tǒng)是新能源汽車核心動(dòng)力來(lái)源，為整車提供驅(qū)動(dòng)電能，由電芯、模塊、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、箱體和電池管理系統(tǒng)BMS組成。電芯按照一定的規(guī)律串并聯(lián)組成模組，模組有序排列在電池箱體內(nèi)，由BMS、熱管理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，以確保電池包系統(tǒng)的安全及持續(xù)輸出。
根據(jù)我們之前研究主機(jī)廠的汽車輕量化方法，汽車輕量化從材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝等幾個(gè)方面進(jìn)行。電池包作為純電動(dòng)汽車的重要組成部件，它的輕量化也應(yīng)該這幾個(gè)方面來(lái)著手。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化
此處主要以電池芯體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例說(shuō)明。
目前汽車的電池單體有圓柱形、方形、軟包電池，如下圖所示，2018年的數(shù)據(jù)是方形最多，圓柱緊隨軟包。
特斯拉Model 3將原來(lái)的18650改成了21700，電池的能量密度約提升20％（250→300Wh／kg），增大了單體的尺寸，進(jìn)而使整包輕量化。
方形電池外殼一般為鋁質(zhì)，可通過(guò)減薄外殼的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)減重，當(dāng)然也可以通過(guò)放大尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，將鋁殼的材料壁厚由0．8mm調(diào)整到0．5－0．6mm，進(jìn)而單個(gè)鋁殼可減重20％以上。
軟包電芯單體也有做大的趨勢(shì)，而且軟包是追求高能量密度的必由之路，鐵電池能量密度較低，方形電池又很難標(biāo)準(zhǔn)化。2018年的電池能量密度要求做到140 Wh／kg，而2019年據(jù)說(shuō)要做到180 Wh／kg，下圖為寧德時(shí)代的產(chǎn)品規(guī)劃。
輕質(zhì)材料
此處主要以電池包箱體采用輕質(zhì)材料為例說(shuō)明。
此前自主品牌的混合動(dòng)力電動(dòng)車的制造思路是油改電，傳統(tǒng)的燃油車主要以鋼制車身為主，對(duì)鋼鐵的研究及技術(shù)的掌握較嫻熟，所以電池包箱體一開(kāi)始被設(shè)計(jì)成了鋼質(zhì)。日產(chǎn)LEAF的電池包箱體為鋼制結(jié)構(gòu)，如下圖所示。
1、采用鋁型材箱體
特斯拉Model S為首款深入人心的純電動(dòng)汽車，作為特斯拉的第一款車型，整包重量近900kg。其電池包箱體為鋁質(zhì)，重量約125kg。通過(guò)鋁型材的設(shè)計(jì)（框架是型材的），電池箱體內(nèi)部可整體的擺放電池模組。
獨(dú)愛(ài)鋁材的蔚來(lái)ES8的電池包箱體自然也是采用鋁型材制造，電池組重量為525kg。它使用了容量為70kwh的三元鋰VDA方形電池，其整包的能量密度大約為170wh／kg。
2、采用熱成形鋼
由于新能源汽車增加了電池包，導(dǎo)致整車重量比燃油車大。車重的增加將導(dǎo)致剎車距離更遠(yuǎn)，對(duì)乘員的保護(hù)要求更高。電池包位于駕駛艙以下，在碰撞中需避免電池包的侵入及避免著火爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，一般會(huì)做擠壓、振動(dòng)和沖擊等試驗(yàn)，或許可以考慮用熱成形鋼做電池殼體。
3、采用鑄鋁件
鑄鋁的電池托盤箱體一體性較好，避免了鋼制或擠出型材的焊接、密封、漏水、腐蝕等問(wèn)題。鑄造一直是批量制造鋁合金箱體的主要工藝方法，比如通用、寶馬車型的PHEV的小電池盒一般都是通過(guò)鑄造的方式，但純電車型需要的是一個(gè)大包，這對(duì)鋁鑄造來(lái)說(shuō)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，鋁鑄件主要用于高端車型，比如騰勢(shì)500采用的是鋁鑄造電池包箱體。
4、其他新材料
除此之外，電池包箱體還可以采用碳纖維、泡沫鋁、SMC等材質(zhì)來(lái)制造，但目前還未見(jiàn)有在汽車上大批量應(yīng)用。電池包的上蓋板可采用SMC或碳纖維復(fù)合材料制造，從而達(dá)到輕量化的效果。
更有甚者，想到用PDCPD材料來(lái)制作電池包箱體，雖然目前還未商用，但想法不錯(cuò)。
制造工藝
電池系統(tǒng)的制造工藝，包括電池單體的封裝、電池模組的排布、熱管理電器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等裝配工藝；還包括電池單體、電池包箱體的連接工藝等方方面面。
航天工程裝備公司的吉華博士，是電池包箱體連接方面的專家。他歸納的鋁合金電池包的結(jié)構(gòu)形式中，框架承載式是指鋁型材與沖壓件的配合，此方案的重量較輕。具備優(yōu)異的靜強(qiáng)度、疲勞性能、耐腐蝕性能、抗碰撞及擠壓性能等。
總結(jié)
目前，電池包系統(tǒng)重量占整車20％以上，成本占整車高達(dá)30％－60％，新能源汽車較傳統(tǒng)汽車更需要輕量化。由于篇幅有限，本文介紹了電池包系統(tǒng)的幾種輕量化方案，希望大家能有一個(gè)大概的了解。
關(guān)于鋁合金電池包箱體的連接，紐北將在后期寫一個(gè)專門的文章來(lái)介紹下，在此不再贅述；另外，關(guān)于Model3和捷豹I－Pace兩經(jīng)典電動(dòng)車的電池包對(duì)比，將在近期完成，敬請(qǐng)期待！
