柯嘉城/工研院機械所
在未來5年,全球大多數車廠將全力推出替代原燃油車型的電動汽車,動力電池售價每年估計有20%降幅,電動車市場預期快速增長。全球電動車占比50%的中國大陸,開放外資股比限制,國際車廠在中國本土化及擴大產能,並提升中國電動汽車產業能力,到2020年代中期將達到中國電動車銷售占比50%,同時電動車性價比將超越燃油車。電池系統是電動汽車的核心部件,發展重點是電動汽車平台模塊化,整合電池包和底盤一體化設計,提升電芯電能密度及電池包成組效率,提高續航里程,具有3C~4C充電能力快速充電,電池工作溫度控制以對應變化的工作環境,並應用電池管理系統來維護電池安全性和使用壽命。電池系統發展進步促使電動車於全球車輛占比在未來幾年大幅提升。
【內文精選】
電動車動力電池近況
純電動乘用車是電動車市場主力,在續駛里程、環境適應性、使用壽命、購置成本等方面能夠超越傳統燃油車,其關鍵在動力電池的供應品質及成本。電動車市場占比逐步擴大,是動力電池製造能量擴張及成本降低的關鍵驅動力。2019年全球動力電池規劃產能260 GWh,以平均年增130 GWh~150 GWh,到2023年規劃產能855 GWh。電池售價正以每年約20%降幅遞減,在2020年,以35,000美元的電動車估算,電池成本的整車占比36%。在2025年,電池成本的整車占比25%,電動車降價到30,000美元,動力電池系統價格至100美元/kWh水準,2020年代中期前後將是純電動車與燃油車價格轉折點。
電動車電池系統發展
動力電池系統是電動車的主體核心部件,設計選用項目包括:電芯種類、電芯封裝形式、電池管理系統(Battery Management System)、溫度處理系統、電池包箱體、輔料等,並從電池可靠安全性、增加電能密度、快充能力、簡化及輕量化電芯/模組/電池包(Battery Pack)結構、系統成組效率等項目發展。在中國大陸2017年公佈的《促進汽車動力電池產業發展行動方案》,主要目標之產品性能大幅提升項目,到2020年,電芯能量密度≥300 Wh/kg,電池包能量密度≥260 Wh/kg,電池包成本≤人民幣1元/Wh,使用環境溫度達到-30˚C~55˚C,充電能力達到3C,到2025年,電芯能量密度將達500 Wh/kg,說明動力電池性能發展項目與目標。
1. 電動車平台
電動車如基於傳統燃油車進行改造,受限於傳統燃油車的結構局限,無法實現電動汽車最優化設計,如VW e-Golf,改造燃油車充分利用其可用空間,電池總電量35.9 kWh,最高續航里程231公里。為滿足續航里程在400~600公里以上的需求,車廠開發純電動車平台,如日產Leaf EV平台、雷諾ZOE、VW集團MEB平台、Tesla EV平台等。平台的電池包和底盤一體化設計,以電池包結構強化底盤強度,並利用整車底盤的框架強化對電池包的結構防護。低高度電池模塊化設計,能平鋪在車輛的底盤空間,布置電池模組位置來調整整車的重心。電機馬達和其他電裝系統放在車軸的高度,以獲得車室內最大限度可用空間。
圖二所示為Tesla Model 3及VW MEB電動車平台,兩者具備同樣的「滑板」特徵。Tesla Model 3與Model Y共用電動車平台,VW ID.3、ID.4、ID.BUZZ、Audi Q4e-tron使用MEB平台,都可依據不同續航里程需求,安裝不同電容量電池。平台可以通過改變軸距、輪距以及座椅布局,使用不同型式電芯,應用於更多種類的車輛發展。圖三所示為VW MEB平台電池模組組成,兼容圓柱形、軟包和方形電芯的標準化模組,可由不同電池廠商提供。
圖三、VW MEB平台電池模組組成
2. 續航里程
電動車提升續航里程的方法,一則是提升電池能量密度,從電池材料體系及做大電池尺寸著手,如鋰三元電池的高鎳低鈷正極材料、磷酸鋰鐵電池的無鈷正極材料、體積小安全性高的固態鋰電池及高能量密度的鋰空氣電池等。在Panasonic/Tesla NCA811 21700圓柱形電芯、寧德時代NCM811方形電芯、LG Chem的層壓疊片式軟包電池等電池產品可看出端倪。圖四說明VW鋰離子電池技術發展,2025年提升到350 Wh/kg電能密度。就動力電池的封裝種類,可分為圓柱形、軟包以及方形三種形式,圓柱形電池發展時間較長,製造工藝成熟…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
圖四、VW鋰離子電池技術發展
★本文節錄自《工業材料雜誌》410期,更多資料請見下方附檔。