基于對標分析的純電動汽車動力電池輕量化評價方法研究

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引言

續航里程影響著純電動汽車的使用性能和消費者的駕駛體驗，同時消費者的購買意愿和補貼政策的導向推動著主機廠進行輕量化研究以減輕汽車重量[1]。汽車輕量化產業前景廣闊，尤其在新能源汽車高速發展的背景下更加促進了輕量化的發展。有別于傳統燃油車型，除白車身外，動力電池是純電動汽車最重的單體部件。輕量化技術的應用，可提升動力電池能量密度，降低整車重量，有助于緩解新能源汽車續航里程焦慮、提升物流車運力、提升駕駛體驗，動力電池輕量化是未來電動車整車輕量化的重點研究方向。

1 研究內容

對動力電池進行靜態解析，采集關鍵參數，規范解析過程和數據處理過程，獲取關鍵部件的輕量化評價所需指標[2]。

統計分析10款國產電動車的動力電池數據，包括動力電池能量與車輛續航關系，動力電池能量與重量關系，動力電池重量占比等，通過數據分析總結出動力電池輕量化評價指標，輕量化系數以及我國動力電池輕量化在現階段的發展水平。

本研究內容針對車型為M1類純電動汽車。

2 評價方法

2.1 動力電池能量與車輛續航關系

查詢分析車型對應的公告數據，獲取車型的動力電池能量和NEDC續航數據。通過對10款車型數據統計，分析結果進行評價，設計評價指標百公里電耗平均值，結果低于該指標的車型表示其在能量管理上高于現階段發展平均水平，更具對標分析價值，計算公式如下：

式中，為百公里電耗平均值（單位100kWh/km）；Li為WLTC-P續駛里程（單位km）；Wi為動力電池額定能量（單位kWh）；n為對標分析車型總數量。

2.2 動力電池能量與重量

查詢分析車型對應的公告數據，獲取車型的動力電池能量，對分析車型進行拆解，實測動力電池重量[4]。通過對10款車型數據統計，分析結果進行評價，設計評價指標動力電池能量密度平均值，結果高于該指標車型表示其在能量密度上高于現階段發展平均水平，更具對標分析價值，計算公式如下：

式中，為能量密度平均值（單位kWh/kg）；Wi為動力電池額定能量（單位kWh）；mi為動力電池重量（單位kg）；n為對標分析車型總數量。

圖1 動力電池能量與續航關系

圖2 動力電池能量與重量關系

2.3 動力電池重量占比

對分析車型進行拆解，實測整車重量和動力電池重量。分析動力電池重量占比可判斷對標車輛動力電池能量的利用情況，通過對10款車型數據統計，分析結果進行評價，設計評價指標動力電池重量占比平均值，低于該指標的車型表示其低于現階段發展平均水平，在整車重量分配上具有一定的提升空間，計算公式如下：

圖3 動力電池重量占比

2.4 動力電池輕量化系數

綜合2.1中的百公里電耗，2.2中的能量密度，2.3中動力電池重量占比，通過計算得出輕量化系數，計算依據為百公里電耗越低越好，能量密度越高越好，動力電池重量占比越接近當前平均水平越好，計算公式如下：

式中，β為動力電池輕量化系數；ρ為動力電池能量密度，E為百公里電耗；A為動力電池重量占比；為動力電池重量占比平均值。

根據動力電池輕量化系數β值的結果，設置評級規則，可將對標車型輕量化程度進行清晰的等級劃分，規則如下表：

表1 動力電池輕量化評級

2.5 本研究中的10款車型動力電池輕量化評級

根據2.4中的計算公式以及評級規則，將本研究項目中的10款對標車型動力電池進行輕量化評級，結果如下。

表2 動力電池輕量化評級

3 分析結論

通過對10款純電動汽車的橫向對比，可得出以下結論：

（1）現階段國產純電動汽車的平均百公里電耗約在13.61kWh。整備重量越輕，百公里電耗越低。其中車型1車型架構設計較早，使數據略有偏差，但不影響整體趨勢判斷。

圖4 整備重量與百公里電耗關系

（2）現階段國產純電動汽車動力電池能量密度平均約在150Wh/kg，參考2020年動力電池系統能量密度要求，最多可獲得0.9倍補貼。補貼政策的收緊加速推動著動力電池輕量化的發展。

表3 純電動汽車關于能量密度的補貼系數

（3）現階段國產純電動汽車動力電池重量約占整車重量的21.87%，該值可作為整車集成規劃的動力電池重量分配參考值。低于此值表明目標車型在電池能量和續航能力上仍有提升空間或其他系統重量分配不合理，高于此值表明目標車型動力電池輕量化設計程度較低[3]。

圖5 動力電池、白車身及其他部件整車重量占比

（4）在一定程度上動力電池能量與車輛續航成正比關系，動力電池能量與動力電池重量成正比關系，動力電池重量與整車重量成正比關系，隨著動力電池重量增加車輛續航提升的趨勢趨緩，單純的增加動力電池的使用量去獲得更高的能量和續航能力，會導致動力電池和整車的重量增加，使車輛性價比降低。而在未來，對于電芯、模組以及電池包附件的材料級別的輕量化研究可有效提升動力電池的能量密度，從而在動力電池重量占比較為均衡的條件下獲得更高的續航能力。

圖6 動力電池重量與續航提升趨勢關系

4 結束語

綜上所述，上述評價方法可有效對純電動汽車動力電池輕量化進行評價，利用大量車型真實數據進行標準化的數據分析，既能體現評價結果的客觀準確，又能夠展現我國純電動汽車動力電池輕量化現階段的發展水平。可為企業在動力電池對標工作中提供高效的標準化的評價方法，大量減少對標分析工作的車型篩選時間。