2022新能源汽车金属成形零部件制造大会

文/闵建成·西安斯莱克智能系统有限公司

从整体来看，我国新能源汽车发展迅速，但技术的成熟度和国外先进企业相比，还有差距。新能源汽车是指采用除汽油、柴油发动机之外，其他非常规车用燃料作为动力来源的汽车，包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源汽车等。按动力源的不同，国内主流电动汽车可分为：纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(PHEV)、燃料电池汽车(FCEV)三类。

新能源汽车发展

据light Metal Age 报道，英国一些公司和机构，联合发起一项重大的研究项目，以设计新的轻型电池外壳，用于下一代电动汽车和超低排放车辆(ULEV)。该联合体的成员包括肯联、lmpression Technologies、宝马、沃尔沃、lnnoval、Technology、布鲁内尔先进凝固技术中心(BCAST)Grainger & Worrall和WMG大学。此外，Lnnovate UK 向该项目提供330 万英镑的资金支持。

过去十年来，中国成为全球最大的新能源汽车市场。政策支持、技术创新、规模庞大等因素成为中国新能源汽车领跑全球的先发优势。据相关报告，截至2020 年，中国拥有全球最多的电动汽车发展先进城市，中国电动汽车累计销量已占世界总量的47%。中国的新能源汽车产业在“从0 到1”的发展中已占得先机，在全球范围内具备了产业链优势。但随着外资车企加紧布局，中国新能源汽车“走出去”的黄金窗口期被压缩，将面临更加严峻的竞争。国际巨头松下、三星SDI、LG 等加速布局，国内电池企业也纷纷扩大产能规模，行业洗牌大幕已经开启。

近年来，国家出台了一系列政策引导推动我国电动汽车产业的发展，提出到2025 年新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右，到2035年纯电动汽车成为新销售车辆的主流，公共领域用车全面电动化，燃料电池汽车实现商业化应用，高度自动驾驶汽车实现规模化应用，有效促进节能减排水平和社会运行效率的提升。根据规划要求，预计我国新能源汽车行业将迎来快速发展，同时电动汽车作为主推新能源汽车市场成长空间较大。

三大主流电动汽车比较

目前，主流电动汽车所采用的锂离子电池，按外形可以分为方形电池、柱形电池和扣式电池；按外包材料来分，有铝壳电池、钢壳电池、软包电池(铝塑膜)；按正极材料来分，有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰、锂聚合物等。我国已为包括插电式混合动力汽车和氢燃料电池汽车在内的新能源汽车设定了目标，到2025 年占到汽车总销量的20%，而现在这一比例为5%。据前瞻产业研究院的资料，国内三大主流电动汽车比较分析见表1。

表1 国内三大主流电动汽车比较分析

电池壳发展

电池壳发展主要分为三个阶段。第一阶段为2000 年以前，第二阶段为2000 ～2010 年，第三个阶段为2010 年以后至今。其中第一阶段的电池类型为镍氢电池，相应的技术路线为对镍氢电池组壳体端子的加强和对极柱的加强。随着锂离子电池逐渐成为行业的专利申请热点，第二阶段的电池类型主要是涉及“18650”型锂离子电池的壳体的研究。在这个阶段，相应的技术路线为锂离子电池单体壳体加强以及锂离子电池组的端板加强。第三阶段的电池类型涉及三元锂(镍钴锰)方形单体电池，其技术路线涉及方形单体电池端子加强。方形锂电池是各个电池企业和汽车企业研发方向。

电池改进及形状变化优点

作为纯电动汽车最核心的零部件之一，动力电池对车辆的续航里程、整体质量、动力表现、操控性能等息息相关。在纯电动汽车的制造成本方面，电池的占比也最高，普遍在30%以上，这导致了电动汽车较高的售价以及后期维护成本。因此，降低电池的单位成本以及增加电池的能量密度，一直是电动汽车技术发展的主要方向。据比亚迪介绍，换装了能量密度更高、放电电压更高、低温性能更好的三元锂(镍钴锰)电池后，比亚迪EV 车型系列的核心竞争力更是得到大幅提高。镁铝合金材质打造的电芯壳体，与圆柱型电池所采用的不锈钢壳体相比更轻，成本更低，有利于提高电芯的能量密度，而且制造成本也更低。而且方形壳体的结构可以容纳更多电解液、电芯极片膨胀应力更低，电池寿命比圆柱形高2 倍以上。Pro EV500 采用了比亚迪自主研发的镍钴锰三元锂电池，也就是在钴酸锂基础上，经过改进，以镍钴锰作为电池正极材料，并合理配比镍钴锰的比例。在优化成本、保证安全的同时，使得电池具有容量高、热稳定性能好、充放电压宽等优良的电化学性能。并且有效提高电池能量密度，达到160.9Wh/kg。实现NEDC 续航里程420km，60km/h 等速续航里程500km，从而有效缓解用户在续航里程方面的忧虑。并且得益于电池组的高能量密度，有效降低汽车的电池装载量，从而减轻汽车的自重。

特斯拉近日发布了“无极耳”新型电池，这种电池的尺寸只有46mm×80mm，所以也被称为“4680”电池，它将特斯拉电动汽车的电池能量密度直接提高了5 倍，同时输出功率提高6 倍，并使特斯拉汽车的续航里程增加了16%，而电池的生产成本和投资成本分别降低56%和69%。这款电池现在已经在试点生产了。

三元锂电池：镍钴锰三元锂电池，因其使用稀土元素，价格昂贵。日本丰田2021 年展示其固态电池，相对于锂电，其能量密度是其2 ～3 倍。

2020 年3 月29 日，比亚迪宣布，磷酸铁锂“刀片电池”。其抗热失控和热扩散性都优于三元锂电池，安全性极好。因其外形为薄片方形而称为：“刀片电池”。特斯拉也首选磷酸铁锂电池。

目前，市场上超过半数的电池采用圆柱形电池壳体(如特斯拉的电动汽车)或方形电池壳体(如丰田、三菱、本田、宝马、大众、奥迪、克莱斯勒、比亚迪、福特等厂商所采用的电池)。虽然圆柱形电池价格更低且商品化更成熟，但是需要复杂的电池管理系统。而方形电池则具有最佳的可扩展性，循环寿命更长，但是生产成本仍然很高。

电池壳成形工艺

单机生产线工艺

⑴采用开式压力机主机，配备开卷、矫平、送料、压力机成形、收料(料框)、废料剪切、废料输送、收废料。该工艺仍有一部分企业在使用。开式压力机电池壳生产线如图1 所示。

图1 开式压力机电池壳生产线

⑵采取闭式双点压力机主机，配备开卷、矫平、送料、压力机多工位成形、收料(料框)、废料剪切、废料输送、收废料，主要生产圆形直径大的或者方形电池壳(铝壳)。该工艺为目前大多数电池企业所采用。闭式双点压力机电池壳生产线如图2 所示。

图2 闭式双点压力机电池壳生产线

⑶采用闭式双点大吨位压力机主机。采取一台专用压力机进行落料、堆垛；另一台闭式双点大吨位压力机主机，配备上料机、拆垛机(带料片拆垛检测)、双横杆夹钳送料、多工位成形、收料(料框)、废料剪切、废料输送、收废料；该工艺主要是生产大直径的电池壳(钢壳)企业使用。闭式双点大吨位压力机方壳生产线如图3 所示。

图3 闭式双点大吨位压力机方壳生产线

冲杯+拉深工艺(该工艺主要用于铝壳)

该工艺采用一台闭式双点双动高速精密压力机进行冲杯，配备开卷、送料机、压力机冲杯、杯料输送、废料剪切、到杯料引伸机、杯口剪切、收废料(料框)。需收口时含收口工序。电池壳输送、检测、清理、输送、打包、捆绑、输送、入库。该工艺目前国外发达国家采用较多，国内企业使用较少。苏州斯莱克下传动冲杯生产线如图4 所示。

图4 苏州斯莱克下传动冲杯生产线

杯料冲击挤压成形工艺(德国舒勒提供)

电池壳体原材料采用铝材料块，通过冲击挤压制成，并经过成形、处理、切边、清洗等工艺进行加工。当冲头挤压料块时，材料会向相反方向流动。之后，从两侧扫描预成形件，以检测裂缝或变形。超出规格的产品将会被移除，以防在接下来的工艺中导致停机。在下一个步骤中，预成形杯将会通过四个通道进入到一台300 吨后处理压力机的一模四件模具中。除了变薄拉深外，还可以集成精冲或整形校准等功能。然后，将壳体倒置在切边机中。剪切头从内到外以摆动的方式工作，避免内部出现毛刺。在进行清洗、干燥与通过视像检测后，就可以进行使用了。该生产线比目前的解决方案生产速度快5 倍，同时还更节省材料。德国舒勒公司提供生产线如图5 所示。这种高速冲挤压工艺目前已在一家大型电池制造商的工厂中投入使用，每年能够生产超过3000 万个电池壳体。舒勒同时也提供用于制造电池盖的冲裁压力机。它采用级进模，包含12 个成形工位，如冲孔、切边、压印与分片等。舒勒方形电池壳如图6 所示。

图5 舒勒方形电池壳成形生产线

图6 舒勒方形电池壳

卧式引伸机

江苏启力锻压机床有限公司钢电池壳采用立式和卧式引伸机，吨位600 ～12500kN。苏州斯莱克采用易拉罐工艺生产电池壳，采用卧式引伸机，苏州斯莱克卧式引伸机如图7 所示。

图7 苏州斯莱克卧式引伸机

苏州斯莱克电池壳设计理念借鉴了易拉罐的生产工艺，加工过程与其有异曲同工之妙。这种尖端技术使加工金属材料的时效和材料利用率非常高，大大降低生产成本。该工艺先使用闭式双动高速精密压力机冲杯，再进行一台或多台拉伸机多道次拉深，先冲杯的目的是能够节省加工材料，总体计算下来，该工艺材料利用率达到87.0%～87.5%。而传统的加工工艺材料利用率只有60%～65%。在加工速度方面，该工艺速度非常快，可以一个冲杯机配6 台、甚至10 台左右的拉伸机，这样计算下来，该生产线每分钟约生产出1200 ～3000 个的圆柱电池壳。方形电池壳每分钟可以生产200 ～600 个。

未来电池发展研究

宁德时代探索电池前沿技术

据宁德时代官方报道，宁德时代探索的技术包括：CTC 结构创新技术，可将电芯集成到底盘，预计续航里程可达1000km；高比能技术，电池系统能量密度215Wh/kg；CTP 技术、高镍技术、高电压技术、超薄基材技术；长寿命技术，寿命16 年，200 万公里；低锂耗阳电，钝化阴极，仿生自修复电解液，极片微结构设计，膨胀力自适应管理，寿命补偿；超快充技术，15 分钟充电80%SOC；超电子网，快离子环，各向同性石墨，超导电解液，高空隙隔膜，多梯度极片，多极耳，阳极电位监控；真安全技术，四维安全防护，打造航天级安全电池；耐温阴极，安全涂层，高安全电解液，航天级热阻隔，自冷却，大数据预警；自控温技术，温升2℃/min；电芯弱短路，电芯温控，平台化，SOC 快速修复，功率补偿，耐寒石墨，耐寒阴极，耐寒电解液。

智能管理技术

电池24 小时全周期全方位监控、电芯健康检测、残值评估、云边协同；电池检测平台；换电站3 分钟内完成更换；智能机器人充电车间；上万块电池回到智能站充电；智能应急换电车；加快充电桩布置，如大众将借助旗下合资公司开迈斯(CAMS)在中国市场铺设500 个充电站，6000 个充电桩，覆盖全国8个城市；至2025 年将覆盖绝大多数城市，布设的充电桩高达1.7 万个，充电功率为120 ～300kW；电池回收，大众计划未来实现95%锂电材料电池回收利用。目前已有一个工厂2021 年开始投入电池回收利用。

开发新型电池外壳

德国西格里碳素公司(SGL Carbon)宣布，已与中国汽车制造商蔚来(NIO)达成合作，前者将为后者研发碳纤维增强型塑料(CFRP)电池外壳原型，该电池外壳比传统的铝或钢制电池外壳轻40%，具有高刚性，而且比铝的热导率低200 倍。该电池外壳特别轻、稳定且安全，整个电池盒包括电池可以在蔚来换电站三分钟内完成更换。

消减电池成本，增加电池能量密度

大众宣布2030年电池技术和充电技术路线规划：将电池成本削减到50%，同时做好磷酸铁锂、高猛、镍钴锰和固态电池的技术布局。公司计划的电池成本缩减分布：优化电池设计减少15%，生产环节(干电极技术)减少10%，正负极材料减少20%，电池系统集成优化(CTP，CTC)减少5%,合计降低50%(图8)。该公司计划到2030 年将80%电池统一为同一型号，达到电池一致性和模块化组，大众的目标是通过这种电池的普及，简化生产，增强规模效益，节约成本，使电池成本下降50%。

图8 大众2030 年电池技术

增加安全性

电池除了成本和续航里程是用户关心的重点之外，电池安全性也已列入电动汽车重点要解决的问题。宁德时代开发的811 三元电池系统，可轻松通过电池发热测试，时间不是5 分钟，而是永远不起火，这将是电动汽车高速增长的法宝。韩国造出最薄光伏电池，厚度为头发直径百分之一。

综上所述，不管是三元锂电技术路线还是磷酸铁锂技术路线，电池技术的发展影响电池壳成形技术。因此，电池壳成形技术要紧随电池发展，在材料、模具、设备、工艺、控制技术和回收等各个方面下功夫，并健全电池壳全生命链。中国要想在电池壳成形技术取得领先，就必须尽快统一规格和接口尺寸，减少规格，进行集约化生产；建立智能化车间，智能化工厂，融入数字化平台，掌握电池壳成形知识产权，在技术、质量及数量上取得全面突破；满足各类用户需求。