日本語新能源動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)與一體壓鑄的變遷
668 2024/11/06 16:00
在電池PACK結(jié)構(gòu)簡化的過程中，不同結(jié)構(gòu)與材料的增加或減少使用以及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)件在生產(chǎn)供應(yīng)的格局上均發(fā)生較大變遷。
圖：CTP電池包結(jié)構(gòu)下各生產(chǎn)環(huán)節(jié)增量與產(chǎn)業(yè)遷移梳理
PART 01
結(jié)構(gòu)件：電池托盤的生產(chǎn)工藝變化
沖壓→擠壓/壓鑄：
當(dāng)期擠壓將代替沖壓，遠(yuǎn)期壓鑄正在局部嘗試
鋁擠壓工藝相比于傳統(tǒng)的沖壓等生產(chǎn)工藝，具有高剛性、抗震動(dòng)、抗擠壓、抗沖擊等性能。
但是：①鋁型材的焊接工序很長，效率很低，一體化壓鑄快速成型，效率更高；
②型材焊接的焊縫質(zhì)量問題，一體化壓鑄可較好的解決。
③從生產(chǎn)成本的角度，無需投資多種鋁型材的設(shè)備，一體壓鑄僅需一臺(tái)壓鑄設(shè)備，整體工藝生產(chǎn)流程簡化。
圖：鋁合金電池托盤
PART 02
CTC 后底盤開啟一體化壓鑄新紀(jì)元
特斯拉引領(lǐng)汽車制造工藝創(chuàng)新極簡，開啟一體化壓鑄新紀(jì)元
2020年9月，特斯拉于電池日上宣布Model Y將采用一體化壓鑄后地板總成，可減少下車體總成重量30%，降低40%制造成本，且車身生產(chǎn)工藝流程大幅簡化，制造時(shí)間由傳統(tǒng)沖壓-焊裝-涂裝-總裝制造工藝的1-2小時(shí)縮短至一體化壓鑄的2-3分鐘。
2021年5月，特斯拉前艙一體化總成鑄件試驗(yàn)也已披露下線，主要構(gòu)成包括左右車輪罩、潰縮吸能區(qū)、橫梁、以及與車身連接的端面和與前碰撞梁或車前端連接的結(jié)構(gòu)端面，整體重量約為130kg。
當(dāng)前，特斯拉正在探索一體化壓鑄的進(jìn)一步集成，將整個(gè)車輛的結(jié)構(gòu)構(gòu)成大大簡化為四個(gè)部分：
①前艙一體式壓鑄總成+②乘員艙結(jié)構(gòu)壓鑄總成+③一體化電池結(jié)構(gòu)壓鑄總成+④后底板一體化壓鑄總成。
圖：新能源車車身結(jié)構(gòu)簡化與集成
其中，據(jù)特斯拉發(fā)布會(huì)介紹，其利用3個(gè)大型壓鑄件（前底板+CTC電池包+后底板）替換由370個(gè)零件組成的整個(gè)下車體總成，實(shí)現(xiàn)整體減重10%，續(xù)航增加14%。
一體化壓鑄是汽車制造提升集成效率，以及輕量化與降成本必經(jīng)之路
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一體化壓鑄相對(duì)傳統(tǒng)工藝，極大的提升了汽車車身的生產(chǎn)效率
傳統(tǒng)車身的制造工藝包括沖壓-焊裝-涂裝-總裝等多個(gè)流程。主車廠采購由全國各供應(yīng)商通過沖壓、壓鑄制造的多個(gè)結(jié)構(gòu)件，將之組裝連接（包括焊接、鉚接、涂膠 等）在一起，形成汽車的白車身總成（BIW）。一輛車由大約幾百個(gè)不同形狀、不同材料的零件焊接而成。任一零件的誤差波動(dòng)都將對(duì)最終的車身精度造成影響。
圖：一體化壓鑄極大提升了汽車生產(chǎn)效率
一體化總成零部件一次壓鑄成型，極大提升了汽車生產(chǎn)效率與集成質(zhì)量。據(jù)特斯拉數(shù)據(jù)顯示采用了一體式壓鑄后地板總成的Model Y，由于所有零件一次壓鑄成型， 零件數(shù)量比Model3減少79個(gè)，由于應(yīng)用了新的免熱處理合金材料，因此省去了熱處理環(huán)節(jié)，制造時(shí)間由傳統(tǒng)工藝的1-2小時(shí)縮減至 120-180s。且只有一個(gè)零件，無需開發(fā)過多的工裝設(shè)備，也大幅降低大量零件連接帶來的誤差累計(jì)，提升制造精度。
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一體化壓鑄有效實(shí)現(xiàn)了汽車輕量化需求
據(jù)中國汽車工程學(xué)會(huì)給出的國內(nèi)汽車輕量化分階段目標(biāo)來看，國內(nèi)汽車制造輕量化趨勢(shì)也在不斷加速推進(jìn)。采用鋁合金一體化壓鑄的全鋁白車身重量約在200- 250kg，而同級(jí)別鋼制車身的重量在350-450kg。重量降低約 150-200kg，采用全鋁一體化壓鑄工藝極大的提升了汽車的輕量化程度。
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一體化壓鑄大幅簡化生產(chǎn)成本
一方面，大幅降低了生產(chǎn)線成本。在原有的有生產(chǎn)技術(shù)成本（沖壓、焊裝、涂 裝、總裝）框架下，傳統(tǒng)生產(chǎn)70個(gè)零部件，每個(gè)零部件均需布置機(jī)器和模具，以及生產(chǎn)線周邊的機(jī)器臂、傳輸線、夾具等；而一體化壓鑄成型僅需一臺(tái)大型壓鑄機(jī)和一套模具，工藝流程簡化過后其它耗材和設(shè)備的減少、機(jī)加工簡化、物料運(yùn)輸、壓鑄成本都更小；且省去了熱處理設(shè)備和過程、省去了塑型設(shè)備[修復(fù)熱處理后的變形]和過程、省去了鈍化設(shè)備和過程、省去了結(jié)構(gòu)膠等，綜合經(jīng)濟(jì)性能更好。另外，一臺(tái)大型壓鑄機(jī)占地面積僅100平方米，根據(jù)埃隆-馬斯克的表示，采用大型壓鑄機(jī)后，工 廠占地面積減少了30%。
另一方面，大幅降低人力成本。國內(nèi)主流汽車工廠一個(gè)焊裝工廠大概配套200- 300名生產(chǎn)線工人，采用一體壓鑄技術(shù)后，所需的技術(shù)工人也將大幅減少。據(jù)特斯拉在2020年電池日發(fā)布會(huì)上表示，modelY后底板一體化壓鑄工藝較原方案降低了40% 制造成本。
主車廠與電池廠均跟進(jìn)，加速布局新能源車底盤一體化壓鑄項(xiàng)目，行業(yè)景氣高增
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各新能源車廠加速跟進(jìn)推進(jìn)一體化壓鑄
沃爾沃布局一體化壓鑄：2022年2月28日，沃爾沃汽車將投資100億瑞典克朗給位于瑞典的Torslanda 制造工廠，以準(zhǔn)備生產(chǎn)的下一代全電動(dòng)汽車。公司將采用大型鑄造鋁車身部件，新建電池組裝廠和總裝車間。其中關(guān)鍵一項(xiàng)是使用 6000T 鎖模力的巨型壓鑄機(jī)生產(chǎn)汽車后底板，這意味著沃爾沃開始在大型汽車零部件中引入壓鑄工藝。
圖：沃爾沃布局CTC壓鑄
新勢(shì)力造車企業(yè)攜手第三方，開始布局一體化車身壓鑄。除特斯拉外，新勢(shì)力造車企業(yè)如蔚來、小鵬等也開始布局汽車的一體化壓鑄后底板。2021年12月蔚來發(fā)布新車 ET5，該車后座板使用一體壓鑄工藝。
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電池廠商寧德時(shí)代深度
布局電池包結(jié)構(gòu)壓鑄
2021年8月，寧德時(shí)代與上海臨港簽訂合作協(xié)議，擬投資28億元建設(shè)一體化電動(dòng)底盤項(xiàng)目。2022年2月19日基地正式開工。項(xiàng)目涉及布局包括先進(jìn)材料、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、 極限制造和商業(yè)模式創(chuàng)新在內(nèi)的“四大創(chuàng)新體系”。
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壓鑄廠商亦高度受益行業(yè)景氣高增，
單車價(jià)值量大幅提升，市場空間廣闊
除車廠采購壓鑄機(jī)自研一體化壓鑄后底盤外，車身結(jié)構(gòu)件的壓鑄廠商以及電池包和電驅(qū)動(dòng)殼體的壓鑄廠商同樣進(jìn)行著一體化壓鑄業(yè)務(wù)的布局。在當(dāng)前新能源車銷量高增以及大型壓鑄件使用不斷擴(kuò)張背景下，零部件廠商高度受益壓鑄件需求放量。
圖：一體化壓鑄極大提升了汽車的生產(chǎn)效率
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一體化壓鑄對(duì)設(shè)備-模具-工藝配套流程要求
更高，技術(shù)壁壘明顯，競爭格局更優(yōu)
一體化壓鑄“設(shè)備-模具-材料-工藝”集成綜合壁壘高
在設(shè)備端，大型一體化成型件需要采用高噸位壓鑄機(jī)，當(dāng)前國內(nèi)外各壓鑄機(jī)設(shè)備廠商開始實(shí)現(xiàn)大型壓鑄機(jī)研制突破。為了滿足大尺寸部件的制造要求，且同時(shí)保證其強(qiáng)度和量產(chǎn)效率，一體化壓鑄對(duì)壓鑄機(jī)的鎖模力、模板尺寸、壓射量、壓射壓力以及速度控制等均需要更高的要求，具有較高的技術(shù)難度。各主車廠及第三方壓鑄廠紛紛采購超大噸位壓鑄機(jī)來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)拓展布局。
在模具端，大型壓鑄產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)模具的要求亦進(jìn)一步增加。在材料端，免熱處理合金材料的研制突破助力大型一體化壓鑄的適用推廣。傳統(tǒng)壓鑄工藝中，需要使用到熱處理等工序來提高零部件的機(jī)械性能、耐腐蝕性能等。但加熱冷卻過程中產(chǎn)生的熱脹冷縮效應(yīng)，帶來零部件的形變誤差，特別是對(duì)于一體化的大體積部件，進(jìn)一步放大了變形風(fēng)險(xiǎn)。
在壓鑄工藝端，將設(shè)備-模具-材料大要素有機(jī)地加以綜合運(yùn)用在當(dāng)前仍具備較高 的技術(shù)壁壘，其關(guān)鍵點(diǎn)在于能穩(wěn)定的、有節(jié)奏的和高效的生產(chǎn)出外觀、內(nèi)在質(zhì)量好、 尺寸符合要求的合格鑄件。
同樣，櫻花扎根中國20年，金屬壓鑄脫模應(yīng)用在各領(lǐng)域，在這次一體化壓鑄的工藝變化過程中，櫻花積極參與，從2500T到9000T的壓鑄機(jī)臺(tái)都能見到櫻花各種最新型號(hào)的脫模產(chǎn)品。高配比的脫模產(chǎn)品進(jìn)一步幫助制造企業(yè)降低工耗，提高良品率，最大程度上優(yōu)化了部件成本，提高了效率。
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