基于对标分析的纯电动汽车动力电池轻量化评价方法研究

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引言

续航里程影响着纯电动汽车的使用性能和消费者的驾驶体验，同时消费者的购买意愿和补贴政策的导向推动着主机厂进行轻量化研究以减轻汽车重量[1]。汽车轻量化产业前景广阔，尤其在新能源汽车高速发展的背景下更加促进了轻量化的发展。有别于传统燃油车型，除白车身外，动力电池是纯电动汽车最重的单体部件。轻量化技术的应用，可提升动力电池能量密度，降低整车重量，有助于缓解新能源汽车续航里程焦虑、提升物流车运力、提升驾驶体验，动力电池轻量化是未来电动车整车轻量化的重点研究方向。

1 研究内容

对动力电池进行静态解析，采集关键参数，规范解析过程和数据处理过程，获取关键部件的轻量化评价所需指标[2]。

统计分析10款国产电动车的动力电池数据，包括动力电池能量与车辆续航关系，动力电池能量与重量关系，动力电池重量占比等，通过数据分析总结出动力电池轻量化评价指标，轻量化系数以及我国动力电池轻量化在现阶段的发展水平。

本研究内容针对车型为M1类纯电动汽车。

2 评价方法

2.1 动力电池能量与车辆续航关系

查询分析车型对应的公告数据，获取车型的动力电池能量和NEDC续航数据。通过对10款车型数据统计，分析结果进行评价，设计评价指标百公里电耗平均值，结果低于该指标的车型表示其在能量管理上高于现阶段发展平均水平，更具对标分析价值，计算公式如下：

式中，为百公里电耗平均值（单位100kWh/km）；Li为WLTC-P续驶里程（单位km）；Wi为动力电池额定能量（单位kWh）；n为对标分析车型总数量。

2.2 动力电池能量与重量

查询分析车型对应的公告数据，获取车型的动力电池能量，对分析车型进行拆解，实测动力电池重量[4]。通过对10款车型数据统计，分析结果进行评价，设计评价指标动力电池能量密度平均值，结果高于该指标车型表示其在能量密度上高于现阶段发展平均水平，更具对标分析价值，计算公式如下：

式中，为能量密度平均值（单位kWh/kg）；Wi为动力电池额定能量（单位kWh）；mi为动力电池重量（单位kg）；n为对标分析车型总数量。

图1 动力电池能量与续航关系

图2 动力电池能量与重量关系

2.3 动力电池重量占比

对分析车型进行拆解，实测整车重量和动力电池重量。分析动力电池重量占比可判断对标车辆动力电池能量的利用情况，通过对10款车型数据统计，分析结果进行评价，设计评价指标动力电池重量占比平均值，低于该指标的车型表示其低于现阶段发展平均水平，在整车重量分配上具有一定的提升空间，计算公式如下：

图3 动力电池重量占比

2.4 动力电池轻量化系数

综合2.1中的百公里电耗，2.2中的能量密度，2.3中动力电池重量占比，通过计算得出轻量化系数，计算依据为百公里电耗越低越好，能量密度越高越好，动力电池重量占比越接近当前平均水平越好，计算公式如下：

式中，β为动力电池轻量化系数；ρ为动力电池能量密度，E为百公里电耗；A为动力电池重量占比；为动力电池重量占比平均值。

根据动力电池轻量化系数β值的结果，设置评级规则，可将对标车型轻量化程度进行清晰的等级划分，规则如下表：

表1 动力电池轻量化评级

2.5 本研究中的10款车型动力电池轻量化评级

根据2.4中的计算公式以及评级规则，将本研究项目中的10款对标车型动力电池进行轻量化评级，结果如下。

表2 动力电池轻量化评级

3 分析结论

通过对10款纯电动汽车的横向对比，可得出以下结论：

（1）现阶段国产纯电动汽车的平均百公里电耗约在13.61kWh。整备重量越轻，百公里电耗越低。其中车型1车型架构设计较早，使数据略有偏差，但不影响整体趋势判断。

图4 整备重量与百公里电耗关系

（2）现阶段国产纯电动汽车动力电池能量密度平均约在150Wh/kg，参考2020年动力电池系统能量密度要求，最多可获得0.9倍补贴。补贴政策的收紧加速推动着动力电池轻量化的发展。

表3 纯电动汽车关于能量密度的补贴系数

（3）现阶段国产纯电动汽车动力电池重量约占整车重量的21.87%，该值可作为整车集成规划的动力电池重量分配参考值。低于此值表明目标车型在电池能量和续航能力上仍有提升空间或其他系统重量分配不合理，高于此值表明目标车型动力电池轻量化设计程度较低[3]。

图5 动力电池、白车身及其他部件整车重量占比

（4）在一定程度上动力电池能量与车辆续航成正比关系，动力电池能量与动力电池重量成正比关系，动力电池重量与整车重量成正比关系，随着动力电池重量增加车辆续航提升的趋势趋缓，单纯的增加动力电池的使用量去获得更高的能量和续航能力，会导致动力电池和整车的重量增加，使车辆性价比降低。而在未来，对于电芯、模组以及电池包附件的材料级别的轻量化研究可有效提升动力电池的能量密度，从而在动力电池重量占比较为均衡的条件下获得更高的续航能力。

图6 动力电池重量与续航提升趋势关系

4 结束语

综上所述，上述评价方法可有效对纯电动汽车动力电池轻量化进行评价，利用大量车型真实数据进行标准化的数据分析，既能体现评价结果的客观准确，又能够展现我国纯电动汽车动力电池轻量化现阶段的发展水平。可为企业在动力电池对标工作中提供高效的标准化的评价方法，大量减少对标分析工作的车型筛选时间。