電動車電池系統結構整合創新概念:從Cell新規格設計到元件整合

 

刊登日期:2021/4/28
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呂學隆/工研院產科國際所
 
全球電動車經過多年的發展,晚近已步入年銷百萬輛以上的市場規模,在歐美與中國大陸成為政策重點推廣產業,所衍生的重要子系統,如電池等技術也與時俱進,並且在持續的電動車產品改良需求發展下,對電池產品與技術創新產生持續而深遠的影響。整體產業仍然朝向追求整車成本降低的油/電車平價、充電便利性提升與產品使用便利性、續航力提升的方向發展。也因此,不同的市場發展階段有不同的產品設計策略與元件整合設計。在2021~2025年間,電動車電池模組的電池封裝趨勢將逐漸轉向至平整底盤、具有高縱/橫比的電池芯比例(長方形或長形軟包設計等),並且為追求更高的電容量而在短期間內朝向更大、整合程度更高的電池模組設計,藉由盡可能減少空間損失的作法來提升電池系統能量密度與電動車續航力。
 
圖一、VW歷年電動車電池模組設計演進
圖一、VW歷年電動車電池模組設計演進
 
前述提到的高縱/橫比的電池芯比例設計變化,主要是著眼於汽車作為運輸工具上的空間設計而來。在2010~2020年間,電動車電池模組的設計大多結合汽車傳動中軸,除了影響駕駛艙的空間外,也侷限電池可搭載的數量與容量,晚近由於Tesla EV平台將小容量的圓柱型電池藉由縱向垂直排列的方式,直接與汽車底盤設計進行整合,讓整個車輛剛性最高的汽車底盤成為保護電池模組的第一道防線。另外,車高增加也僅在數公分以內,還有降低汽車重心,讓駕駛時更加平穩的效益,此種平整化電池排列的設計逐漸成為電動車設計主流。尤其以需要大量電池搭載的純電動汽車為多。
                                                  
由於此種平整電池模組與底盤結合的設計概念,電池的外型與型態也需要進一步調整,過去因電動車電池成本高昂,產業急需將電池產品標準化以降低生產成本而生的德國汽車工業協會VDA電池規格,將電動車相關電池外型建議統一為不到10種尺寸,但為因應前述電池模組平整化的設計需求,加上電動車市場規模乃至於單一車廠的電池需求數量,在2025年前均能夠達成一定的規模經濟,如VW集團在2025中的電動車電池總需求將超過250 GWh,僅以其MEB平台需求就足以影響與獨立提出適切的電池設計,因此部分德系車廠在規劃未來5年內的電動車型設計時,已經按車廠設計的需求與偏好開始提出各車廠獨特的外型規格。如VW MEB平台的設計當中,在590系列模組上就可以同時使用59*11公分長寬的軟包裝電池,或是22.5*11公分長寬的方型電池進行緊密排列。此外,在2021年開始,VW系列的電動車也開始提出218*97*21~23 mm方型電池,以及530~540*95~105*8.5 mm軟包裝電池的尺寸,往後的所有MEB平台相關電動車車系,為數超過60款以上的電動車,將以此種電池作為設計基礎投入。此外,在過往沿用VDA尺寸的德系車廠BMW,也提出300*30*72/97 mm兩種方型電池設計,兩大現有電池供應廠商寧德時代與Samsung SDI也將改為供應此種規格產品。
 
圖三、晚近國際主要電動車廠採用電池芯外觀尺寸變化
圖三、晚近國際主要電動車廠採用電池芯外觀尺寸變化
 
另外,在提高電池系統能量密度的技術發展方面,目前大分為藉由緊湊性設計/元件間整合設計的研發工作,以及整合電池芯/模塊/模組/汽車底盤的兩種發展方向。如以寧德時代對外發布的電動車電池模組技術發展規劃來說,從2017~2022年間,從電池模組結構件、模組外殼、散熱系統、模塊技術等方面出發,將電池模組能量密度與電芯能量密度的比值從0.67提升至---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方圖檔。

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