未来汽车市场
随着政策、市场的推广,2018年我国新能源汽车生产约122万辆,同比增长50%,动力电池装机总电量约56.98GWh,同比增长56%。作者预测,新能源汽车未来5到10年依然与内燃机驱动的汽车在市场共同竞争。做好新能源汽车的整车成本企划、优化动力电池的成本,是车企和零部件供应商将来多年的核心工作之一。
动力电池和电芯
目前新能源汽车采用的多是锂电池,其基本工作原理如图1所示:
图1 锂电池的工作原理
正极的活性材料主要有两类,一类是镍钴锰锂化合物(NCM),另外一类是磷酸铁锂(LFP);负极多是石墨(95%),加上一些添加剂。放电时锂离子脱嵌,充电时锂离子嵌入,形成放电或者充电电流。通常新能源汽车车载锂电池多是由电芯、模组、电池包构成;电芯是电池包的最小单元,模组则由多个电芯连接而成,电池包又由多个模组组成,另外加上电池管理控制模块、连接端子等。如果把车载锂电池包作为一个子系统,那么电芯成本占的比例约为85%左右,所以,对电芯成本做一个精准计算、找出主要的成本驱动点,然后进行技术优化,是优化电池包成本、做好新能源汽车整车成本企划的重要路径。
锂电池电芯分解
本文只是描述了其中的一些分解步骤,不保证全面。锂电池电芯分解,一定要在专业实验室里做,这是操作安全的保障!
首先,对锂电池电芯进行长时间完全放电。
作者用来分解的锂电池电芯是方形电芯,电压3.65V, 容量255Wh,毛重1.4公斤(见图2)
图2 锂电池电芯样件(NCM111, 255Wh, 3.65V)
然后,在干燥实验室进行低温操作,打开电芯外壳,分别对正极膜、负极膜、隔膜厚度及外形尺寸进行测量,其中,正极膜含活性化合物(NCM)和铝基材,负极膜含活性化合物(Graphit)和铜基材,从而得到锂电池电芯成本计算的主要材料输入参数。
图3 锂电池电芯正极膜
图4 锂电池电芯负极膜
图5 锂电池电芯在专业实验室里分解、测量
由此用观昱机电技术(上海)有限公司的参照成本计算模型计算出这个锂电池电芯的材料成本及其分布(见图6)。
图6 锂电池电芯的材料成本明细及其分布
主要材料成本驱动点分别是三元材料、电解液、铜膜等。优化材料成本就是从这些材料成本驱动点入手,比如三元材料(NCM),其中C是指昂贵的钴材料,如何降低钴材料的比例,是优化材料成本的优先选项,从原来的NCM111,变为NCM523,甚至NCM811,就是以增加镍的含量,来降低钴的含量,当然,镍含量的增加,也影响了电芯的稳定性,所以,要在稳定性和材料成本上,平衡优化;另外,铜膜、电解液等也是有优化空间的。
锂电池电芯制造工艺
锂电池电芯的制造,犹如“面条”的制作,可以分为约18个工序,见图7。
图7 锂电池电芯制造工艺步序
其中搅拌、涂层、烘干、压实、分卷、真空烘干、老化等工序是批次加工工序(batch), 而切片、层叠、加注电解液、封装等工序则为节拍制造工序。
采用观昱机电技术(上海)有限公司的参照成本计算模型可以计算出这个锂电池电芯的制造成本及其分布(见图8)。
图8 锂电池电芯的制造成本明细及其分布
从参照成本计算的结果来看,制造成本的驱动点主要在节拍制造工序上,比如切片、层叠、电解液注入、封装等工序步骤上,优化电芯的制造成本,就要从这些工序上入手了。
图9 锂电池电芯的参照成本及其分布
总结
怎样提高新能源汽车的未来发展和市场竞争力?其中一个重要的路径就是技术优化锂电池电芯的材料和制造成本。通过精准的锂电池电芯参照成本计算和成本驱动点分析,可以系统地找出其技术降本的点子甚至技术方案。如何做好新能源汽车的整车成本企划,开发出安全可靠、客户买得起、用得起的车型,其中一个核心工作,就是要做好锂电池电芯的技术成本优化工作!
