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动力电池该如何“瘦身”?

发布日期:2018-01-16 13:49:22

作者:admin

 

电动汽车车重降低10%,其续驶里程可增加5.5%,轻量化对电动汽车的作用非同小可。在国内外车企纷纷加速布局新能源汽车的激烈竞争环境下,以高续驶里程为卖点的电动汽车无疑更会受到市场的青睐。从某种意义上说,电动汽车轻量化技术的应用是决定车企能否“笑傲江湖”的杀手锏。



然而,“传统汽油车轻量化不容易,电动汽车轻量化更是难上加难。”重庆长安汽车工程研究院副院长曹渡曾表示,而这也是业内共识。除了与传统汽油车一样,需要在车身材料、内部结构设计等方面“瘦身”外,由于与生俱来的“大心脏”——动力电池,使得一辆电动汽车比同级别传统燃油车增重数百公斤,因此,动力电池“减重”则成为市场给车企布下的艰巨任务。而如何在保证安全和成本可控的条件下给电池减重,更成为困扰多数车企的一道思考题。
“减重”为何如此难?

      对于减肥的人来说,都希望投入最少的资金,达到最健康的减肥效果。同样,提到动力电池轻量化,业内理所当然地会将其与安全和成本相关联,达到“鱼和熊掌兼得”的理想状态。事实上,当动力电池轻量化被冠以“安全性高”和“成本可控”的界定后,无疑是被铐上了一道沉重的枷锁,要想实现“理想”,脚下的步履仍很艰难。


给动力电池减重,意味着要提高电池的能量密度。现阶段,提升电池能量密度的可行方法无外乎削减对发电无贡献的电池组配件重量和增加动力电池负极活性物质的单位重量。然而,每一种方法目前都存在着相应的制约因素。

削减对发电无贡献的电池组配件重量,例如减少黏结剂、导电辅助材料等的确可以有效减轻动力电池的重量,但这种方法存在极限。此前,日产推出的改款Leaf通过该方法将车重由原来的1545kg减至1440kg。具体措施是,通过较少电芯外壳重量、减少用来固定电池模块的螺丝钉数量、去掉支架多余的壁厚、减轻电池模块外装等,最终使得该车电池组能量密度由86Wh/kg提升到了92.9Wh/kg,车辆的实际工况续驶里程也由120km提升到了135km。然而,这种方法并非所有电池组都适用,对现阶段大部分动力电池而言,在出厂时已经尽可能轻装上阵,其所能够削减的部位则少之又少。


      而通过增加动力电池负极活性物质的单位重量或体积的容量来减轻动力电池重量的方法,对其中相关材料的开发一直以来都在进行之中。以被普遍采用的锂离子电池为例,正极的LiCoO2一直以几乎接近理论极限的容量被使用,电池容量的改善完全依赖负极性能。最初,负极材料采用焦炭时,充放电效率不过80%左右,而现在使用石墨的负极材料,效率已经超过了95%。然而,即便如此,该负极材料使得电池容量已经近乎饱和,且其所带来的安全性和局部过热的问题也一直被业内所关注。
“瘦身”的曙光有多远?

当然,除了通过以上两种最直接的办法可以在一定程度上给动力电池减重外,新电池材料、新技术的应用也取得了一定的突破。或许,现阶段由于成本、技术等因素的限制,使得这些新的成果离大规模普及还有段距离,但至少能够为动力电池轻量化起到一定的指引作用。

在电动汽车车身材料的使用上,碳纤维已经成了轻量化的“明星”。采用碳纤维的宝马i3的重量可以比使用普通材质的比亚迪E6轻出1吨多。使用了碳纤维的宝马i3电池组的总重量为233kg,而配备了96组200AH电池的比亚迪E6,电池重量为500kg。除了高密度外,质量轻、强度高、耐腐蚀、高模量等也是碳纤维的优质特性。然而,由于其身价不菲,在电动汽车领域大规模使用还不能实现。

不过,除此之外,还有一项新的技术——纳米技术,在动力电池领域受到热捧。今年5月,韩国政府投资人民币约31.5亿元大力发展纳米技术,目的是要在2025年以前,生产出单次充电续驶里程达到500公里的电动汽车。

据悉,纳米技术可以增加电池电极的尺寸和面积,其原理是通过纳米技术使电极呈现海绵状,能够在充电时吸收更多能量,从而增加电池的蓄电能力。而这项技术早在一年前就被沃尔沃公司提出。业内指出,如果将目前电动汽车电池换成这种新型材料,可以将车重减轻超过15%。据悉,这种新型材料可使动力电池结构更轻,且可制成薄片,从而取代车身面板,节省电池组所需要的空间。它不仅可以回收车辆的制动能,同时还能够直接联网充电。此外,电池组的电能还可以在车辆行驶过程中同时供给电动机。目前,沃尔沃汽车已经将这种电池材料应用于两辆S80试验车上进行验证。
电池企业转型大方向

尽管以上一些新材料、新技术的突破让众人看到了电动汽车轻量化发展的曙光,然而,这些新突破仍来自于国外技术,从我国电池企业现状来看,轻量化研究仍处于初始探索阶段,在电池材料的研究等方面还比较落后,总体水平与国外先进水平存在着较大差距。尽管如此,动力电池轻量化将是动力电池企业转型升级首要方向的事实已无法改变。那么,对此,相关企业该如何加速赶超呢?

一方面,可以结合动力电池的设计选用当下的先进材料,如碳纤维材料。尽管碳纤维材料应用于整车,会使得车辆的成本大大提高,但若小部分将其应用于动力电池上,则在一定程度上可降低电动汽车的整车重量,提高续驶里程,而成本则不会提高太多。除此之外,尝试自主研发新的高强度、轻重量、低成本材料,始终都是相关企业不断努力的方向。

另一方面,应加强与车企和电池企业的紧密合作。据了解,一些外资企业,如宝马、奥迪、大众等正在共同致力于电动汽车标准化工作。他们采取的措施是,先确定车辆的续驶里程之后,再根据车辆的性能要求、车重情况等确定要配备合适的电池组。而大众集团还在不同品牌的车款之间尝试使用相同的电池组,以及在同一款产品的电池组上尝试使用不同电池企业的电芯产品。业内专家认为,“这就是电池模块标准化工作的核心内容。”据悉,三星SDI目前正在为德国车企制定自己的动力电池技术目标路线图,三星SDI已将其20Ah级别的电芯产品分为20Ah、22Ah、24Ah、26Ah和28Ah等五个子款,每个子款的壳体是固定的,但具体容量和电压都可以根据车企的具体需求而进行调整。
标准化助力轻量化

现阶段,我国自主品牌电动汽车轻量化进程不仅受限于技术水平和成本制约等原因,动力电池没有标准化统一也是阻碍轻量化发展的一个门槛。

“动力电池型号过多且尺寸规格不统一对整车厂而言是个困扰。”由于国内动力电池型号过多,没有统一的尺寸标准,导致动力电池与新能源车型难以匹配,加重整车企业负担同时也不利于中国新能源汽车产业的健康发展。”

对此,对动力电池的要求为轻量化、标准化模组设计和电池管理系统规范化。其中,电池轻量化设计可以采用与车身一体化设计壳体,电池标准化模组设计可实现多种电芯和模组替换,缩短电池包设计开发周期,有利于整车设计平台化。标准化设计将更有助于轻量化的发展。

总之,动力电池的轻量化不仅是电池企业发展的大方向,也是新能源车企“笑傲江湖”的决胜关键。对动力电池企业而言,如何不断在技术、材料等领域寻找更多突破口,以及加强与整车企业、电池企业、零部件供应商的密切配合才是企业稳步前进的关键。