在NE時(shí)代、凌傲咨詢(xún)聯(lián)合舉辦的“2023xEV電池技術(shù)論壇暨新能源光儲(chǔ)充融合產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上，廣東眾森實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司技術(shù)總監(jiān)胡莓坤就《電池包輕量化應(yīng)用和解決方案》進(jìn)行了主題報(bào)告。

演講嘉賓：廣東眾森實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司技術(shù)總監(jiān)胡莓坤

報(bào)告聚焦在電池包輕量化背景和眾森輕量化方案兩大部分。

電池包輕量化背景

縱觀電池包輕量化過(guò)程，其實(shí)就是在一減一增的路上不斷前進(jìn)的路程，減的是電池包重量，增加的是續(xù)航里程和空間。

新能源汽車(chē)行業(yè)處于高速發(fā)展階段，對(duì)續(xù)航里程要求越來(lái)越高。在整車(chē)電量既定的前提下，電池包作為三電系統(tǒng)的核心之一，其輕量化直接影響續(xù)航和里程。

如何做到電池包的輕量化？有兩個(gè)方面，首先是提高單體能量密度，其次是做好電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化，主要圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料應(yīng)用兩個(gè)大的方向。

輕量化過(guò)程中，電池包結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)復(fù)雜的框架結(jié)構(gòu)，逐漸向輕量化、一體化結(jié)構(gòu)演變，使用的材料從傳統(tǒng)金屬材料演變?yōu)槿缃竦匿?復(fù)合材料或者純復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。這種演變?cè)谠黾硬季挚臻g同時(shí)，也讓整車(chē)的續(xù)航里程從250km左右轉(zhuǎn)變到如今的500-800km。

電池包輕量化演進(jìn)的三個(gè)重要方向。

首先是箱體結(jié)構(gòu)演進(jìn)。

從CTM到CTP再到CTC、CTB的過(guò)程。CTP相對(duì)于CTM來(lái)說(shuō)體積利用率提高15%-20%，零部件減少40%，生產(chǎn)效率增加50%。演化到CTC/CTB階段，將電芯直接集成在底盤(pán)上，每GWh投資將直接減少55%，空間利用率提升35%。

其次是材料演變。

材料變化也是一增一減，增加的是產(chǎn)品材料的物理、化學(xué)性能以及力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)性能等，減少的是產(chǎn)品重量。箱體材料演變經(jīng)歷了從鋼材到鋁合金最后到復(fù)合材料的演變過(guò)程，當(dāng)前使用的輕量化高性能復(fù)合材料具備較好耐腐蝕性、耐候性、耐磨性，具備更好的熱管理和熱控制能力，成型加工更簡(jiǎn)單高效。

目前電池包中廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料有玻璃纖維增強(qiáng)塑料+改性樹(shù)脂等復(fù)合而成的復(fù)合材料。復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)非常明顯，可以快速響應(yīng)客戶(hù)需求，快速提高材料性能，成本得到更好控制。

最后是成型工藝提升。

結(jié)構(gòu)和材料演變帶來(lái)的是工藝提升，工藝進(jìn)化同時(shí)也會(huì)反哺生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量以及制造成本。傳統(tǒng)的電池箱體使用鋼材、鋁合金進(jìn)行沖壓、焊接、滾軋、擠壓等一系列工藝，伴隨著一系列的品質(zhì)問(wèn)題，例如強(qiáng)度及密封性不足，熔深不夠、裂縫、氣孔大致使電池漏液。而復(fù)合材料輕量化方案得益于工藝優(yōu)勢(shì)，在提升產(chǎn)品品質(zhì)和一致性的同時(shí)還能夠更高效的大規(guī)模高性能量產(chǎn)，可以更大程度上進(jìn)行成本控制。

眾森輕量化方案

眾森輕量化產(chǎn)品系列主要集中在高性能復(fù)合材料領(lǐng)域，復(fù)合材料的特征是高強(qiáng)輕質(zhì)、優(yōu)異的物理&化學(xué)性能，在做到更高效規(guī)模化生產(chǎn)的同時(shí)還能更好地進(jìn)行成本控制。

眾森輕量化產(chǎn)品主要聚焦于四大產(chǎn)品，一是電池箱體上蓋，二是電池托盤(pán)，三是CTB集成化電池上蓋，四是電池底護(hù)板。

動(dòng)力電池箱體上蓋及托盤(pán)。

以上圖為例，上面是傳統(tǒng)的金屬材料箱體上蓋，厚度1mm，重量10KG，由于金屬材料特性和加工工藝特性，產(chǎn)品會(huì)具有一系列品質(zhì)問(wèn)題，熔深、焊縫、漏液等。眾森針對(duì)該款產(chǎn)品做了復(fù)合材料輕量化方案，保證厚度不變的同時(shí)，重量從10KG降低到2.5KG，降幅高達(dá)70%，對(duì)續(xù)航里程貢獻(xiàn)較大。產(chǎn)品上蓋和托盤(pán)采用的是眾森自主研發(fā)的玻纖預(yù)浸料，通過(guò)PCM一次模壓成型。眾森自主研發(fā)的玻纖預(yù)浸料特點(diǎn)很多，首先從耐壓性來(lái)看，能夠做到60s持續(xù)3000V條件下無(wú)擊穿、無(wú)跳火，漏電電流小于3mA，其次具備非常優(yōu)良的絕緣性，絕緣電阻大于50GΩ。這款產(chǎn)品在通過(guò)主機(jī)廠一系列性能測(cè)試的同時(shí)，也具備非常優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性，拉伸強(qiáng)度超過(guò)50MPa，拉伸模量超過(guò)250GPa，阻燃等級(jí)達(dá)到UL94 V0級(jí)。這款產(chǎn)品采用了PCM模壓一次成型工藝，得益于工藝的優(yōu)化，產(chǎn)品單件節(jié)拍可以做到5min./Pc，單臺(tái)設(shè)備年產(chǎn)能6W套。

電池底護(hù)板。上面是傳統(tǒng)的金屬材料底護(hù)板，重量偏重的同時(shí)，耐候性比較差，這是金屬材料的特性，沒(méi)辦法改變。眾森據(jù)此進(jìn)行了復(fù)合材料輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)定制化需求開(kāi)發(fā)了兩款復(fù)合材料三明治結(jié)構(gòu)的底護(hù)板。動(dòng)力電池護(hù)板1是第一款輕量化產(chǎn)品，采用高強(qiáng)度鋼板跟玻璃纖維復(fù)合板復(fù)合而成的三明治結(jié)構(gòu)底護(hù)板，表層材料采用玻璃纖維與PP樹(shù)脂在線復(fù)合而成的熱塑性復(fù)合板，玻璃纖維含量超過(guò)60%，所以具備非常優(yōu)良的力學(xué)性能，在達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)的同時(shí)，又具備良好的耐老化性和耐腐蝕性。動(dòng)力電池護(hù)板2也是三明治結(jié)構(gòu)，針對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景開(kāi)發(fā)的護(hù)板，其結(jié)構(gòu)包括高強(qiáng)度鋼板、玻璃纖維復(fù)材板、PP纖維蜂窩板，夾芯層采用的PP蜂窩板具有六邊形或者是圓形的蜂窩結(jié)構(gòu)，這種蜂窩結(jié)構(gòu)的目的是為了更大程度地增加產(chǎn)品的韌性、抗沖擊性，由于這種特殊的蜂窩結(jié)構(gòu)，更有效地吸收能量和抵抗沖擊。

中間為產(chǎn)品的實(shí)物圖，經(jīng)過(guò)輕量化設(shè)計(jì)之后，這兩款產(chǎn)品減重幅度超過(guò)30%，結(jié)構(gòu)性能也比較好，拉伸強(qiáng)度超過(guò)500Mpa，面板彎曲強(qiáng)度大于100Mpa，同時(shí)平均輥筒剝離強(qiáng)度大于100（N·mm）/mm。鑒于市場(chǎng)對(duì)這款產(chǎn)品的巨大需求，眾森自主開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化熱壓成型生產(chǎn)線，年產(chǎn)能能夠達(dá)到300萬(wàn)件。

CTB&CTC動(dòng)力電池上蓋。眾森用鋼+復(fù)材結(jié)構(gòu)替代了原來(lái)純鋼材結(jié)構(gòu)，為什么沒(méi)有采用純復(fù)材結(jié)構(gòu)呢？因?yàn)樵谶_(dá)到減重目的的同時(shí)，還要保證這款產(chǎn)品優(yōu)良的韌性跟抗穿擊性。這款產(chǎn)品原來(lái)厚度是1.5mm，整體重量是24kg，我們?cè)诒３炙暮穸炔蛔兊那闆r下，使用輕量化結(jié)構(gòu)，重量降到14kg，整體減重幅度達(dá)到40%。這款產(chǎn)品也是采用自主研發(fā)的玻璃纖維復(fù)合板材，能夠做到在1000度情況下持續(xù)灼燒30分鐘，仍然能夠保證良好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完整性。絕緣性非常優(yōu)良，以50GΩ作為標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品的部分關(guān)鍵性能，拉伸強(qiáng)度超過(guò)480Mpa，彎度強(qiáng)度超過(guò)300Mpa，彎曲撓度小于3.0mm，剝離強(qiáng)度大于180（N·mm）/mm。采用PCM模壓一次成型工藝，能做到小于5min/Pc，單產(chǎn)設(shè)備年產(chǎn)量能達(dá)到6.8萬(wàn)。

電池包輕量化已是大勢(shì)所趨，除了現(xiàn)有的提升和進(jìn)步之外，安全性、成本等需要進(jìn)一步優(yōu)化。安全性是如何更優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如何開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的材料，在做到高強(qiáng)輕質(zhì)的同時(shí)更好地保護(hù)電芯，減少安全事故發(fā)生的頻率，甚至是杜絕。展望未來(lái)，輕量化將繼續(xù)聚焦在材料的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝創(chuàng)新以及集成化技術(shù)創(chuàng)新。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將有更多的發(fā)揮空間，進(jìn)一步減少電池包的冗余結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)強(qiáng)度，更大幅度地提升性能和減輕重量。工藝創(chuàng)新方面，需要降低成本，同時(shí)提高降低產(chǎn)品品質(zhì)，成本和效率是整個(gè)行業(yè)一直在關(guān)注的重點(diǎn)。集成化技術(shù)創(chuàng)新，整體的發(fā)展趨勢(shì)是做到更大范圍的集成化，更大范圍的模塊化，更大范圍的一體化，在將來(lái)的集成技術(shù)中，會(huì)把更多的零部件和電池包集中在一起，在更大幅度地減重的同時(shí)，給電池包提供更好的性能以及更好的安全性。

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