【理论基础】新能源汽车电池包轻量化概述

新能源汽车更需要轻量化

新能源汽车NEV（New EnergyVehicle）是指采用非常规车用燃料作为动力源的汽车。可以分为纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（HEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、增程式电动汽车（EREV）及燃料燃料电池电动汽车（FCV）等。下面我们一起看看2018年新能源车型的销量情况。

图1 2018年全球新能源乘用车销量排行榜

信息来源：第一电动

今天我们要谈的电动汽车属于新能源汽车的一种，电动汽车一般包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统以及一些其他周边设备。说白了就是三大电，电池、电机和电控，下图展示了电动汽车的部分特有部件。

图2 电动汽车的特有部件

续航要求推动轻量化

电池组的容量越大，汽车储能能力就越强，续航里程相对就越大。但电池组的增加势必使车辆重量加大，更会影响整车性能且将增加汽车的制造成本。

图3 汽车电池容量与续航

新能源纯电动汽车的电池容量一般以千瓦时（KW·h）为单位。美国规定电池包容量大于等于16kwh可以拿满7500美元的联邦补贴，当然，一般纯电车型都会超过这个容量。

补贴退坡更需轻量化

此前有消息称，2019年新能源汽车补贴退坡将达到50%。根据这样计算，如果有一辆400公里续航的电动车（2018年补贴约5万元），2019年再去购买估计得需要更贵个2-3万。

图4 新能源汽车补贴近况

信息来源：亿欧

电动汽车的电池包

电池系统是新能源汽车核心动力来源，为整车提供驱动电能，由电芯、模块、电气系统、热管理系统、箱体和电池管理系统BMS组成。电芯按照一定的规律串并联组成模组，模组有序排列在电池箱体内，由BMS、热管理系统进行监控，以确保电池包系统的安全及持续输出。

图5 电池包组成

根据我们之前研究主机厂的汽车轻量化方法，汽车轻量化从材料、结构、制造工艺等几个方面进行。电池包作为纯电动汽车的重要组成部件，它的轻量化也应该这几个方面来着手。

图6 电池系统轻量化路径

信息来源：CNP科尼普

结构优化

此处主要以电池芯体的结构优化为例说明。

目前汽车的电池单体有圆柱形、方形、软包电池，如下图所示，2018年的数据是方形最多，圆柱紧随软包。

图7 汽车电池单体外形及应用情况

信息来源：起点研究

特斯拉Model 3将原来的18650改成了21700，电池的能量密度约提升20%（250→300Wh/kg），增大了单体的尺寸，进而使整包轻量化。

图8 特斯拉Model 3电池单体升级

信息来源：汽车大漫谈

方形电池外壳一般为铝质，可通过减薄外壳的厚度来实现减重，当然也可以通过放大尺寸来实现。例如，将铝壳的材料壁厚由0.8mm调整到0.5-0.6mm，进而单个铝壳可减重20%以上。

图9 方形电池单体

信息来源：深圳瑞德丰

软包电芯单体也有做大的趋势，而且软包是追求高能量密度的必由之路，铁电池能量密度较低，方形电池又很难标准化。2018年的电池能量密度要求做到140 Wh/kg，而2019年据说要做到180 Wh/kg，下图为宁德时代的产品规划。

图10 宁德时代产品路线图

轻质材料

此处主要以电池包箱体采用轻质材料为例说明。

此前自主品牌的混合动力电动车的制造思路是油改电，传统的燃油车主要以钢制车身为主，对钢铁的研究及技术的掌握较娴熟，所以电池包箱体一开始被设计成了钢质。日产LEAF的电池包箱体为钢制结构，如下图所示。

图11 日产LEAF电池包箱体

采用铝型材箱体

特斯拉Model S为首款深入人心的纯电动汽车，作为特斯拉的第一款车型，整包重量近900kg。其电池包箱体为铝质，重量约125kg。通过铝型材的设计（框架是型材的），电池箱体内部可整体的摆放电池模组。

图12 特斯拉model S的电池箱体

独爱铝材的蔚来ES8的电池包箱体自然也是采用铝型材制造，电池组重量为525kg。它使用了容量为70kwh的三元锂VDA方形电池，其整包的能量密度大约为170wh/kg。

图13 蔚来ES8的电池箱体

信息来源：爱出行

采用热成形钢

由于新能源汽车增加了电池包，导致整车重量比燃油车大。车重的增加将导致刹车距离更远，对乘员的保护要求更高。电池包位于驾驶舱以下，在碰撞中需避免电池包的侵入及避免着火爆炸等风险，一般会做挤压、振动和冲击等试验，或许可以考虑用热成形钢做电池壳体。

图14 电池箱体用材案例

信息来源：北汽新能源

采用铸铝件

铸铝的电池托盘箱体一体性较好，避免了钢制或挤出型材的焊接、密封、漏水、腐蚀等问题。铸造一直是批量制造铝合金箱体的主要工艺方法，比如通用、宝马车型的PHEV的小电池盒一般都是通过铸造的方式，但纯电车型需要的是一个大包，这对铝铸造来说也是一个挑战。目前，铝铸件主要用于高端车型，比如腾势500采用的是铝铸造电池包箱体。

图15 腾势电池包箱体

其他新材料

除此之外，电池包箱体还可以采用碳纤维、泡沫铝、SMC等材质来制造，但目前还未见有在汽车上大批量应用。电池包的上盖板可采用SMC或碳纤维复合材料制造，从而达到轻量化的效果。

更有甚者，想到用PDCPD材料来制作电池包箱体，虽然目前还未商用，但想法不错。

图16 PDCPD材料在电池包上的应用

信息来源：江苏大学徐晓明

制造工艺

电池系统的制造工艺，包括电池单体的封装、电池模组的排布、热管理电器系统的设计等装配工艺；还包括电池单体、电池包箱体的连接工艺等方方面面。

图17 Model 3电池模组的轻量化

信息来源：博奇数据

航天工程装备公司的吉华博士，是电池包箱体连接方面的专家。他归纳的铝合金电池包的结构形式中，框架承载式是指铝型材与冲压件的配合，此方案的重量较轻。具备优异的静强度、疲劳性能、耐腐蚀性能、抗碰撞及挤压性能等。

图18 铝型材电池包箱体的连接

图片来源：航天工程装备吉华博士

目前，电池包系统重量占整车20%以上，成本占整车高达30%-60%，新能源汽车较传统汽车更需要轻量化。由于篇幅有限，本文介绍了电池包系统的几种轻量化方案，希望大家能有一个大概的了解。

关于铝合金电池包箱体的连接，纽北将在后期写一个专门的文章来介绍下，在此不再赘述；另外，关于Model3和捷豹I-Pace两经典电动车的电池包对比，将在近期完成，敬请期待！