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電池包輕量化各出奇招!看特斯拉/寧德時代/比亞迪誰家“輕功”更勝一籌

來源:電池中國網 瀏覽次數:397 發布日期:2019-05-21

長期以來,續航里程不足一直都是新能源汽車產業發展的短板。前不久,不少汽車廠商由于涉及續航里程虛假宣傳受到消費者投訴,車和家CEO李想也對國內車企展開了不要再“自嗨”的炮轟,續航里程問題一時又被卷入輿論的焦點。

車重降10%,續航增5%-6%

通常來講,動力電池的系統能量密度越高,電動汽車的續航里程則越長。目前國內的純電動汽車搭載的動力電池,大多以三元電池為主。雖然電池的能量密度已經有了極大的提高,但依然難以破除消費者的里程焦慮困擾。除了進一步提高電池材料的能量密度以外,電池包的輕量化也是一種提高系統能量密度的有效方法。

“提升電動汽車的續駛里程,除了加強電池和驅動系統之外,與車身輕量化的程度也密不可分。”中國工程院院士楊裕生表示。從技術角度來講,純電動汽車重量降低10%,續航里程便可增加5%-6%。中國工程院院士孫逢春認為,未來的新能源汽車應具有輕量化的特征。

我們知道,動力電池是由電芯組成的多個模組串聯或并聯組合而成,其中還會增加BMS檢測系統、上下殼體,或者增加溫控系統等,組合而成的電池包會將整體重量平攤至能量密度計算之中。所以在電池單體能量密度一定的情況下,電池包越輕則系統能量密度就越高。

寧德時代和比亞迪的“輕功”

據電池中國網了解,傳統電池包一般采用低碳鋼鈑金和焊接工藝加工而成,成本較低但箱體重量大,嚴重影響電池包系統能量密度的提高和車輛的輕量化。所以,采用輕量化材料就成為了電池包“瘦身”的主要手段之一。

為了減輕電池包的重量,寧德時代首席科學家吳凱近日表示,寧德時代首次將航空級別的“7系鋁”運用至電池包下箱體。“7系鋁”被稱為鋁材料中的“戰斗鋁”,常被用于制造飛機起落架,具備輕盈、堅固、安全等特性。

據了解,目前寧德時代電池包下箱體輕量化設計已處于領先水平。通過這一設計,能使B級純電動轎車電池倉在現有基礎上,裝載電池的總電量、動力電池系統能量大幅度提高,整車重量減重250公斤,使該車型標準工況續駛里程提高到600公里以上。

鋁材料的“輕功”確實不俗。如果將動力電池鈑金殼體換為全鋁殼體,重量可大幅度下降。某從事電池包材料研究的人士表示,鋁合金材料由于模具便宜,材料密度低,容易滿足電池系統能量密度的補貼要求,因此目前用量較大,成為主流。目前鋁合金替代傳統低碳鋼在電池箱上得到了大范圍的應用,鋁合金箱體成為電池箱體發展的一個重要方向。

比亞迪就使用了質量更輕的鋁合金作為電池殼體,以提升電池包的能量密度,增加了續航能力。以其秦Pro EV500為例,相比上一代秦EV車型,電池包減重157kg,系統能量密度提升至160.9Wh/kg。據比亞迪官方數據,秦Pro EV500的工況續航里程420公里,最大續航里程達500公里。

除了鋁合金材料,玻纖增強復合材料、SMC片狀材料、碳纖維復合材料等非金屬復合輕量化材料也逐漸涌現。相比較鋁合金材料,非金屬復合材料在相同體積和強度條件下,可減輕30%~50%的質量,但由于成本和技術等原因,尚未得到大規模應用。

從目前的市場情況來看,已經有一些企業在電池包上殼體采用了SMC輕量化材料,而下殼體主流純電動車則采用較鋼更輕的高強度鋁材來封裝。

據電池中國網了解,目前市場上的吉利帝豪EV450和廣汽傳祺GE3 530等車型,采用的就是上殼體SMC輕量化材料,以及下殼體高強度鋁來進行封裝。后者電池系統能量密度為160Wh/kg,已經處在主流水平。

特斯拉別出心裁

輕量化結構設計也是減輕電池包重量的有效途徑。“提升電池系統能量密度需要實現電池包輕量化,”天津力神電池股份有限公司副總工程師蘇金然表示,“減輕結構件重量占比和優化系統結構,是當前動力電池企業提升電池系統能量密度必須要做的事情。”

在優化電池包結構方面,特斯拉的做法非常具有代表性。據了解,特斯拉Model 3的電池包重量(LB/KWH)比Model S 85D的電池低15%,甚至比Model X/S P100D也低了6%。根據Jason Hughes的說法,Model S電池箱體的重量約為125kg,超過了整包重量的20%。為此,特斯拉在電池包輕量化方面做了不少別出心裁的設計。

當然,采用尺寸更大的21700電池代替18650是重要的一步,由于21700電池高度的提升,Model 3的pack尺寸比Model S小了很多。另外,Model 3的封裝結構也發生了重大變化。特斯拉將所有的電控單元整合到pack中,交流電充電器和DC-DC轉換器被集成為一個更小和更輕的單元模組,高度整合導致Model 3的總布線長度大幅減少。

據電池中國網了解,在動力電池系統輕量化浪潮的背景下,有不少專業的動力電池模組結構件等供應商,也積極通過研發新材料、減輕結構件重量、改進生產工藝、設計優化結構方案等方式滿足客戶的需求。

其實,電池包輕量化對于系統能量密度的提升只是起到錦上添花的作用,主要還是要從電池材料方面進行改進。提高電動汽車續航里程是一項系統工程,不僅是動力電池系統的事,還涉及到車輛在電機、電控等方面的整體設計,這需要新能源汽車產業鏈的協同努力。

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