广东众森胡莓坤:电池包轻量化应用和解决方案

NE时代新能源

阅读 1646    更新于2023-11-21 09:32:46

在NE时代、凌傲咨询联合举办的“2023xEV电池技术论坛暨新能源光储充融合产业大会”上,广东众森实业发展有限公司技术总监胡莓坤就《电池包轻量化应用和解决方案》进行了主题报告。

演讲嘉宾: 广东众森实业发展有限公司技术总监 胡莓坤

报告聚焦在电池包轻量化背景和众森轻量化方案两大部分。

电池包轻量化背景

纵观电池包轻量化过程,其实就是在一减一增的路上不断前进的路程,减的是电池包重量,增加的是续航里程和空间。

新能源汽车行业处于高速发展阶段,对续航里程要求越来越高。在整车电量既定的前提下,电池包作为三电系统的核心之一,其轻量化直接影响续航和里程。

如何做到电池包的轻量化?有两个方面,首先是提高单体能量密度,其次是做好电池包结构设计轻量化,主要围绕结构设计和材料应用两个大的方向。

轻量化过程中,电池包结构从传统复杂的框架结构,逐渐向轻量化、一体化结构演变,使用的材料从传统金属材料演变为如今的钢+复合材料或者纯复合材料结构。这种演变在增加布局空间同时,也让整车的续航里程从250km左右转变到如今的500-800km。

电池包轻量化演进的三个重要方向。

首先是箱体结构演进。

从CTM到CTP再到CTC、CTB的过程。CTP相对于CTM来说体积利用率提高15%-20%,零部件减少40%,生产效率增加50%。演化到CTC/CTB阶段,将电芯直接集成在底盘上,每GWh投资将直接减少55%,空间利用率提升35%。

其次是材料演变。

材料变化也是一增一减,增加的是产品材料的物理、化学性能以及力学性能、结构性能等,减少的是产品重量。箱体材料演变经历了从钢材到铝合金最后到复合材料的演变过程,当前使用的轻量化高性能复合材料具备较好耐腐蚀性、耐候性、耐磨性,具备更好的热管理和热控制能力,成型加工更简单高效。

目前电池包中广泛应用的复合材料有玻璃纤维增强塑料+改性树脂等复合而成的复合材料。复合材料优势非常明显,可以快速响应客户需求,快速提高材料性能,成本得到更好控制。

最后是成型工艺提升。

结构和材料演变带来的是工艺提升,工艺进化同时也会反哺生产效率、产品质量以及制造成本。传统的电池箱体使用钢材、铝合金进行冲压、焊接、滚轧、挤压等一系列工艺,伴随着一系列的品质问题,例如强度及密封性不足,熔深不够、裂缝、气孔大致使电池漏液。而复合材料轻量化方案得益于工艺优势,在提升产品品质和一致性的同时还能够更高效的大规模高性能量产,可以更大程度上进行成本控制。

众森轻量化方案

众森轻量化产品系列主要集中在高性能复合材料领域,复合材料的特征是高强轻质、优异的物理&化学性能,在做到更高效规模化生产的同时还能更好地进行成本控制。

众森轻量化产品主要聚焦于四大产品,一是电池箱体上盖,二是电池托盘,三是CTB集成化电池上盖,四是电池底护板。

动力电池箱体上盖及托盘。

以上图为例,上面是传统的金属材料箱体上盖,厚度1mm,重量10KG,由于金属材料特性和加工工艺特性,产品会具有一系列品质问题,熔深、焊缝、漏液等。众森针对该款产品做了复合材料轻量化方案,保证厚度不变的同时,重量从10KG降低到2.5KG,降幅高达70%,对续航里程贡献较大。产品上盖和托盘采用的是众森自主研发的玻纤预浸料通过PCM一次模压成型。众森自主研发的玻纤预浸料特点很多,首先从耐压性来看,能够做到60s持续3000V条件下无击穿、无跳火,漏电电流小于3mA,其次具备非常优良的绝缘性,绝缘电阻大于50GΩ。这款产品在通过主机厂一系列性能测试的同时,也具备非常优异的结构性,拉伸强度超过50MPa,拉伸模量超过250GPa,阻燃等级达到UL94 V0级。这款产品采用了PCM模压一次成型工艺,得益于工艺的优化,产品单件节拍可以做到5min./Pc,单台设备年产能6W套。

电池底护板。上面是传统的金属材料底护板,重量偏重的同时,耐候性比较差,这是金属材料的特性,没办法改变。众森据此进行了复合材料轻量化优化设计,根据定制化需求开发了两款复合材料三明治结构的底护板。动力电池护板1是第一款轻量化产品,采用高强度钢板跟玻璃纤维复合板复合而成的三明治结构底护板,表层材料采用玻璃纤维与PP树脂在线复合而成的热塑性复合板,玻璃纤维含量超过60%,所以具备非常优良的力学性能,在达到轻质高强特点的同时,又具备良好的耐老化性和耐腐蚀性。动力电池护板2也是三明治结构,针对复杂场景开发的护板,其结构包括高强度钢板、玻璃纤维复材板、PP纤维蜂窝板,夹芯层采用的PP蜂窝板具有六边形或者是圆形的蜂窝结构这种蜂窝结构的目的是为了更大程度地增加产品的韧性、抗冲击性,由于这种特殊的蜂窝结构,更有效地吸收能量和抵抗冲击。

中间为产品的实物图,经过轻量化设计之后,这两款产品减重幅度超过30%,结构性能也比较好,拉伸强度超过500Mpa,面板弯曲强度大于100Mpa,同时平均辊筒剥离强度大于100(N·mm)/mm。鉴于市场对这款产品的巨大需求,众森自主开发了自动化热压成型生产线,年产能能够达到300万件。

CTB&CTC动力电池上盖。众森用钢+复材结构替代了原来纯钢材结构,为什么没有采用纯复材结构呢?因为在达到减重目的的同时,还要保证这款产品优良的韧性跟抗穿击性。这款产品原来厚度是1.5mm,整体重量是24kg,我们在保持它的厚度不变的情况下,使用轻量化结构,重量降到14kg,整体减重幅度达到40%。这款产品也是采用自主研发的玻璃纤维复合板材,能够做到在1000度情况下持续灼烧30分钟,仍然能够保证良好的产品结构完整性。绝缘性非常优良,以50GΩ作为标准。产品的部分关键性能,拉伸强度超过480Mpa,弯度强度超过300Mpa,弯曲挠度小于3.0mm,剥离强度大于180(N·mm)/mm。采用PCM模压一次成型工艺,能做到小于5min/Pc,单产设备年产量能达到6.8万。

电池包轻量化已是大势所趋,除了现有的提升和进步之外,安全性、成本等需要进一步优化。安全性是如何更优化电池包结构设计,如何开发更先进的材料,在做到高强轻质的同时更好地保护电芯,减少安全事故发生的频率,甚至是杜绝。展望未来,轻量化将继续聚焦在材料的创新、结构优化和工艺创新以及集成化技术创新。

结构优化方面,随着计算机技术和仿真技术的进一步发展将有更多的发挥空间,进一步减少电池包的冗余结构和加强强度,更大幅度地提升性能和减轻重量。工艺创新方面,需要降低成本,同时提高降低产品品质,成本和效率是整个行业一直在关注的重点。集成化技术创新,整体的发展趋势是做到更大范围的集成化,更大范围的模块化,更大范围的一体化,在将来的集成技术中,会把更多的零部件和电池包集中在一起,在更大幅度地减重的同时,给电池包提供更好的性能以及更好的安全性。

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