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助力新能源车开发,电池包系统的轻量化不可或缺

来源:国际塑料商情 发布时间:2020-10-12 875
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 会客室
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——访清华大学苏州汽车研究院(相城)汽车轻量化技术中心副主任吴中旺

EVSales网站近日公布的数据显示,2020年7月,全球新能源乘用车销量达24.8万辆,环比上涨7.7%,同比上涨67.1%,创下了今年全球新能源汽车销量新高。


受益于近年来新能源汽车销量和单车带电量的提升,动力电池行业也迎来了快速发展。7月,我国动力电池产量共计6.1GWh,同比增长6.4%,环比增长13.8%。可以预见,未来新能源汽车电池产业将迎来更大发展空间。


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在这种市场利好的背景下,很多研究机构和企业单位都针对新能源电池包系统开展了不少技术开发工作,清华苏州汽研院就是其中一家,其主要围绕智能化、网联化、轻量化、电动化,致力于汽车整车及零部件关键技术的开发、集成和服务。未来,电池包及箱体有哪些重要开发方向和关键技术?如何持续开展动力电池包箱体的轻量化?新能源汽车行业还有哪些新蓝海?带着这些问题,我们邀请到了清华大学苏州汽车研究院(相城)汽车轻量化技术中心副主任吴中旺,听听他的看法吧!


电池包系统开发关键技术


动力电池是新能源汽车成本控制中的关键一环,占新能源汽车整车成本30%~40%,随着新能源汽车产销的提升,电池及相关行业迎来巨大发展契机。


然而,根据国家平台监测的统计,2019年5月到年底,一共发生了113起新能源汽车事故。不同的统计显示,电池问题是起火事故很大的直接原因。在北京理工大学《新能源汽车与大数据安全》统计中,占61%;在CATARC的《电动汽车以及动力电池的安全评价》中,占52%。


电池安全,已经成为决定新能源汽车未来发展的关键环节之一。


据吴中旺介绍,电池包的安全分为机械安全和热安全。机械安全包括碰撞、冲击、疲劳耐久等安全性性能,相关的问题可能会引起热失控并引发起火,其涉及的就是机械安全。电池在做大功率充放电时会释放大量的热,电池包整体温度升高继而会影响电性能。例如,汽车在冷启动和突然加速时会引起大电流放电,容易导致电芯短路,其导致的相关安全问题就是热安全。


“我们主要研究的是机械安全,通过仿真分析电池包及其整车搭载以后的力学性能,判断其能否满足刚度需求、模态需求、强度需求和疲劳性能需求,等等,并且通过仿真手段指导结构设计。”吴中旺告诉我们。


参考新能源市场近年来发展经验,考虑到动力电池未来的发展趋势,中国工业和信息化部在2020年5月12日发布了新国标GB38031-2020,它的内容以GB/T31485-2015和GB/T31467.3-2015为基础,代替该两项标准,对电池单体、电池包或系统的试验项目作出规范。


吴中旺指出,新国标GB38031-2020有几项关键内容值得关注:特别是随机振动试验,试验前,将电池单体的SOC状态(StateofCharge,电池荷电状态)调至不低于制造商规定的正常SOC工作范围的50%;按照试验对象车辆安装位置和GB/T2423.43的要求,将试验对象安装在振动台上。每个方向分别施加随机振动载荷(每个方向测试时间为12h)和定频振动载荷(每个方向测试时间为1h或2h),测试过程按照GB/T2423.56来做。


想要准确地仿真开发电池包,有效指导电池包系统设计,需要了解电池单体、电池模组和电池包的失效机理,同时应该研究准静态和高速碰撞下的失效状态,吴中旺指出,电池包系统的CAE仿真开发的难点是如何将电池单体进行等效化处理,以便于提高仿真精度,同时举例他们目前开发的电池单体精细化模型,电池单体等效模型和电池单体质量点替代在电池包仿真中的结果差异对比。


谈及对新能源汽车和电池包企业的建议,他表示,技术投资永远是第一位的。“正向开发才能解决后技术问题。”他说道,“以前,很多新能源汽车只是用动力电池包、电动机、减速器等替代传统汽车的发动机、变速箱等,但这样的逆向开发会存在很多隐患。目前,像大众之类企业,已经开始专门做电动车的开发平台,把精力和财力放到技术研发中,这样新能源汽车才能真正地发展好。”


动力电池包箱体的轻量化


动力电池包箱体作为动力电池的承载防护结构,在动力电池包机械安全防护中占据重要位置。而且,其整体质量目前偏大,具有较大的轻量化空间,同时政策对于电池包能量密度的要求逐步提高,使得电池包箱体轻量化发展具有很强的紧迫性。


据吴中旺介绍,就目前而言,动力电池包箱体主要有钢钣金焊接、铸铝箱体和铝型材焊接、复合材料等技术路线。其中,复合材料因具有比强度高、比模量大,各向异性,耐疲劳性能好,阻尼减振性好,耐化学腐蚀性好,可设计性强,可整体化成型等一系列的优点,逐渐被应用到汽车轻量化零部件中。


在复合材料轻量化开发应用方面,由于复合材料的各项异性的特点,在产品开发上既是优点也是难点,应该如何进行复合材料的关键力学性能表征,以获得工程开发所需要的力学参数,比如高低温、高低速拉伸、高低温疲劳、拉压疲劳、剪切、压缩、拉剪等。


复合材料力学性能表征一直是行业的难点,常用的工程常数共有9个,均可通过材料级的拉伸、压缩、剪切试验获得。失效理论有很多种,但每种失效理论均有缺陷,常用到的失效理论有最大应力失效准则、最大应变失效准则、蔡-吴失效理论、hashin失效理论、puck失效理论等。实际应用中失效理论的选择可通过零部件级试验进行验证,比如B柱的三点弯曲试验,吸能盒的动态压溃试验等,借助试验来准确地标征复合材料的力学性能。一般来说,复合材料的应变率效应没有金属材料那么明显,但具有明显的湿热效应,在使用中应予以考虑。复合材料特别是在耐火燃烧性能方面明显低于钢和铝材料,这一特性的缺陷会明显降低复合材料在电池包箱体上的应用,目前行业亟待解决这一问题。如果同时不能增加大幅电池包箱体的成本,这个问题不能很好地解决掉,复合材料电池包箱体的应用将会受到严厉的挑战。但这并不会影响到材料在车身其他的部件的应用推广。


也许未来3-5年,电池包轻量化设计不仅仅是电池包箱体的轻量化设计,而是箱体、电池单体、线束、电器件等综合的轻量化开发方案,而且电池包箱体可能会和车身结构结合在一起,特别是车身地板结合,把车身地板当作电池包上盖,电池包箱体用复合材料和隔热棉制造,既能达到轻量化的目的又可以很好的隔热,同时金属材料的车身地板防止电池包上盖烧穿。目前市场上的纯电动或者混动车型的电池包布置方式或许能让我们有所启示,箱体吊挂式,箱体镶嵌车身地板下,箱体放置在后备箱,箱体放置在后排桌椅下部等。


新能源汽车行业的两个新蓝海


新能源汽车行业作为一个新兴的行业发展迅猛,充电桩作为新基建项目之一,是支撑新能源汽车发展的重要基础设施。据统计,截至2020年7月,国内公共类充电桩保有量为56.6万台,从2019年8月到2020年7月,月均新增公共类充电桩约1万台。


“充电桩是新能源汽车行业的一个蓝海。”吴中旺说道。


目前,很多消费者对电动汽车都存在里程焦虑,如果有一个随处可见的充电桩,并且能实现“充电五分钟,长途行驶无忧”,那么很有可能大家的里程焦虑会缓解,电动汽车销售的瓶颈或可被打破。


“大家对于续航里程最大的焦虑在于长途开车,对大多数消费者来说,根本不需要盲目追求500公里、600公里甚至更高的续航里程,高速服务区的充电桩建设到位,辅以快充技术就能够解决里程焦虑的问题。”他说道,“我相信,五年之后,电池续航里程不再会是电动汽车很大的一个卖点,企业的重心还是会回归到安全性。”


“以前很多企业一味追求轻量化导致了一些安全问题的出现,现在大家更趋于理性了。”吴中旺说道,“因为追求补贴,高能量比的三元锂电池受到追捧;因为成本和安全,现在大家又开始把目光转向磷酸铁锂电池了。”


近年来,我国新能源汽车产量不断扩大,随着早期应用的新能源整车寿命周期的临近,这部分新能源汽车即将进入大量报废阶段,动力电池的回收也受到了非常大的关注。本意是为了保护环境而发展的电动汽车,若是因为回收问题反而导致环境污染,那就有违电动汽车发展的初衷了。除了环保的问题,成本也是发展动力电池回收的另一项重要因素。“电池回收并不是简单地把电池收回来以后拆开,分离出贵金属等原材料,回收的价值更多地在于电池包的梯次利用。”吴中旺表示,“新能源车动力电池回收是另一个蓝海。”


据中国汽车技术研究中心预测,2020年动力蓄电池累计退役量达20万吨(约25GWh);至2025年,累计退役量约为78万吨(约116GWh),估测其中55万吨可梯次利用,占总退役量70%,这是一个千亿级别的市场。


谈及梯次利用中的难点,吴中旺表示,电池包的性能亟待一种无需拆包就能快速有效地检测手段。在电池包的开发过程中,可以在电池内部安装BMS等检测电池寿命的传感器,在回收利用的时候可以通过传感器中的信息来判断电池回收利用的价值。“整个行业对此都还在研发阶段。”他坦言道。


除了检测技术,标准化的电池开发是另一条思路。“我认为电池包的标准化是一种趋势。”他说道,“目前,每家新能源车企的电池包在电芯模组、排列顺序等各个方面都不一样,这给后期的电池回收及梯次利用带来了很多困难。”吴中旺还告诉我们,清华大学苏州汽车研究院也在电池包设计时考虑标准化的问题。



文/班红芳龚佳枫


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