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电池包轻量化各出奇招!看特斯拉/宁德时代/比亚迪谁家“轻功”更胜一筹

来源:电池中国网 浏览次数:335 发布日期:2019-05-21

长期以来,续航里程不足一直都是新能源汽车产业发展的短板。前不久,不少汽车厂商由于涉及续航里程虚假宣传受到消费者投诉,车和家CEO李想也对国内车企展开了不要再“自嗨”的炮轰,续航里程问题一时又被卷入舆论的焦点。

车重降10%,续航增5%-6%

通常来讲,动力电池的系统能量密度越高,电动汽车的续航里程则越长。目前国内的纯电动汽车搭载的动力电池,大多以三元电池为主。虽然电池的能量密度已经有了极大的提高,但依然难以破除消费者的里程焦虑困扰。除了进一步提高电池材料的能量密度以外,电池包的轻量化也是一种提高系统能量密度的有效方法。

“提升电动汽车的续驶里程,除了加强电池和驱动系统之外,与车身轻量化的程度也密不可分。”中国工程院院士杨裕生表示。从技术角度来讲,纯电动汽车重量降低10%,续航里程便可增加5%-6%。中国工程院院士孙逢春认为,未来的新能源汽车应具有轻量化的特征。

我们知道,动力电池是由电芯组成的多个模组串联或并联组合而成,其中还会增加BMS检测系统、上下壳体,或者增加温控系统等,组合而成的电池包会将整体重量平摊至能量密度计算之中。所以在电池单体能量密度一定的情况下,电池包越轻则系统能量密度就越高。

宁德时代和比亚迪的“轻功”

据电池中国网了解,传统电池包一般采用低碳钢钣金和焊接工艺加工而成,成本较低但箱体重量大,严重影响电池包系统能量密度的提高和车辆的轻量化。所以,采用轻量化材料就成为了电池包“瘦身”的主要手段之一。

为了减轻电池包的重量,宁德时代首席科学家吴凯近日表示,宁德时代首次将航空级别的“7系铝”运用至电池包下箱体。“7系铝”被称为铝材料中的“战斗铝”,常被用于制造飞机起落架,具备轻盈、坚固、安全等特性。

据了解,目前宁德时代电池包下箱体轻量化设计已处于领先水平。通过这一设计,能使B级纯电动轿车电池仓在现有基础上,装载电池的总电量、动力电池系统能量大幅度提高,整车重量减重250公斤,使该车型标准工况续驶里程提高到600公里以上。

铝材料的“轻功”确实不俗。如果将动力电池钣金壳体换为全铝壳体,重量可大幅度下降。某从事电池包材料研究的人士表示,铝合金材料由于模具便宜,材料密度低,容易满足电池系统能量密度的补贴要求,因此目前用量较大,成为主流。目前铝合金替代传统低碳钢在电池箱上得到了大范围的应用,铝合金箱体成为电池箱体发展的一个重要方向。

比亚迪就使用了质量更轻的铝合金作为电池壳体,以提升电池包的能量密度,增加了续航能力。以其秦Pro EV500为例,相比上一代秦EV车型,电池包减重157kg,系统能量密度提升至160.9Wh/kg。据比亚迪官方数据,秦Pro EV500的工况续航里程420公里,最大续航里程达500公里。

除了铝合金材料,玻纤增强复合材料、SMC片状材料、碳纤维复合材料等非金属复合轻量化材料也逐渐涌现。相比较铝合金材料,非金属复合材料在相同体积和强度条件下,可减轻30%~50%的质量,但由于成本和技术等原因,尚未得到大规模应用。

从目前的市场情况来看,已经有一些企业在电池包上壳体采用了SMC轻量化材料,而下壳体主流纯电动车则采用较钢更轻的高强度铝材来封装。

据电池中国网了解,目前市场上的吉利帝豪EV450和广汽传祺GE3 530等车型,采用的就是上壳体SMC轻量化材料,以及下壳体高强度铝来进行封装。后者电池系统能量密度为160Wh/kg,已经处在主流水平。

特斯拉别出心裁

轻量化结构设计也是减轻电池包重量的有效途径。“提升电池系统能量密度需要实现电池包轻量化,”天津力神电池股份有限公司副总工程师苏金然表示,“减轻结构件重量占比和优化系统结构,是当前动力电池企业提升电池系统能量密度必须要做的事情。”

在优化电池包结构方面,特斯拉的做法非常具有代表性。据了解,特斯拉Model 3的电池包重量(LB/KWH)比Model S 85D的电池低15%,甚至比Model X/S P100D也低了6%。根据Jason Hughes的说法,Model S电池箱体的重量约为125kg,超过了整包重量的20%。为此,特斯拉在电池包轻量化方面做了不少别出心裁的设计。

当然,采用尺寸更大的21700电池代替18650是重要的一步,由于21700电池高度的提升,Model 3的pack尺寸比Model S小了很多。另外,Model 3的封装结构也发生了重大变化。特斯拉将所有的电控单元整合到pack中,交流电充电器和DC-DC转换器被集成为一个更小和更轻的单元模组,高度整合导致Model 3的总布线长度大幅减少。

据电池中国网了解,在动力电池系统轻量化浪潮的背景下,有不少专业的动力电池模组结构件等供应商,也积极通过研发新材料、减轻结构件重量、改进生产工艺、设计优化结构方案等方式满足客户的需求。

其实,电池包轻量化对于系统能量密度的提升只是起到锦上添花的作用,主要还是要从电池材料方面进行改进。提高电动汽车续航里程是一项系统工程,不仅是动力电池系统的事,还涉及到车辆在电机、电控等方面的整体设计,这需要新能源汽车产业链的协同努力。

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