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如何计算电池包成本?- 12

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8.3.1.2 环境传热
热环境条件下的传热速率由下式计算:
其中,k、A、δ分别为包套绝缘的导热系数(默认为0.00027 W/cm/ k)、面积和厚度(默认为10mm)。TH,amb为热环境温度(默认为50℃),T为工作温度。绝缘与外部环境接触的面积根据第5.5.3节中的包套尺寸计算。

8.3.2 冷却系统尺寸

冷却系统的大小是基于总产热率-即qs(式8.1)和qamb(式8.10)的总和。BatPaC假定了四个默认系统,其属性如表8.2所示。BatPaC选择能够满足电池组总冷却需求的最小冷却系统。如果在“Dashboard”上选择电动汽车充电(参见第6节),则唯一例外。如果选择电动汽车充电,BatPaC将自动假设最大的系统具有6kw的冷却能力,以处理快速充电过程中的高热量。
表8.2
表8.2中制冷剂系统的质量和体积包括所有附加部件(即泵、热交换器和阀门)的质量和体积。这些值乘以电池包数量的平方根,以说明与多个电池包相关的附加复杂性。性能系数用于确定热交换器的压降(见第8.3.3节)。基准成本包括冷却剂、泵、热交换器、阀门和额外制冷剂的成本。

8.3.3 泵功率

BatPaC提供了冷却剂通过电池包和热交换器循环所需的泵送功率的估计。总泵送功率计算如下:
其中Pclnt和Pexchg分别是通过冷却剂流动系统和热交换器移动冷却剂所需的泵送功率。fp是一个泵效率系数,默认值为0.5。冷却剂系统所需的功率是根据层流作用下矩形管道的压降计算的,其结果如下:
式8.12中,ρclnt和μclnt分别为冷却剂的密度(默认为1.07 g/cm3)和粘度(默认为0.055 poise)。Dh为冷却液通道的水力直径。Lclnt是冷却剂在冷却板内的路径长度(是排架长度和高度的两倍)。Gclnt为通过冷却板的流体质量流量(g/s/cm2)。Qclnt是冷却剂的总流量(cm3/s),由冷却剂从包入口到出口的允许温升决定。计算公式如下:
式中,Cp,clnt、ΔTclnt分别为冷却剂比热容(默认为3.264 J/g/K)、允许温升(默认为5℃)。在式8.12中,fp,add是考虑连接和冷却板转弯周围附加压降的因子(默认值= 2)。
通过换热器的泵送功率与所需的冷却速率和表8.2中的性能系数(PC)成正比。计算方法如下:

8.4 冷却的充分性

8.4.1 冷却的充分性级别

BatPaC包括一个计算,通过确保冷却剂输入特性(即入口温度和允许温升)和电池的几何形状可以保持电池内的安全温度来检查冷却的充分性。BatPaC在持续运行期间进行传热计算,并根据电池中心的最高温度提供评级。根据电池中心的最高温度与“Dashboard”上设置的所需操作温度之间的差异,给出优秀,良好,一般或差的评级。表8.3给出了这些数字的温度范围。每种电池设计的等级都包含在“热”工作表和“仪表板”中的“计算和验证”部分(见3.2.3.1节)。
表8.3
可以对电池设计进行各种更改,以解决冷却等级不足的问题。这包括对电源、电池几何形状和冷却系统的更改。这一段讨论了几个主要因素。首先,电池的几何形状可以通过调整电池组中的电池数量(使电池更小)、长宽比([L/W])或电池厚度来改善传热。还可以通过降低进口冷却液温度或冷却液流动系统中允许的冷却液温升来修改等级。这些都不会直接影响电池包的设计。降低温升将增加所需的流量,这将增加BatPaC报告的泵送功率。降低进口冷却液温度会增加对车内空调机组的需求。BatPaC没有考虑到这一额外需求,因为它超出了电池组的范围,并且取决于车辆设计、环境条件和车辆使用概况。

8.4.2 电芯温度计算

电池中心的最高温度由下式近似计算:
其中Tclnt,in为进口冷却剂温度(默认为15℃),ΔTc2w为电池中心与冷却剂面板壁之间的温度差,ΔTw2f为冷却剂面板壁与冷却剂流体中心之间的温度降。关于ΔTc2w和ΔTw2f的详细讨论可以在之前版本的手册[12]中找到。一般来说,ΔTc2w的计算假设热量通过接触电池边缘和侧面的铝热导体(见图8.3)。传热假设在所有四个大表面上进行,而不仅仅是在图8.3所示的两个表面上。热传递出来的标签是被忽略的。从电池中心到冷却板壁的总温度差由下式计算:
其中第一组括号对应于每个电芯的散热,第二组将这个数字除以电池中心和冷却板壁之间每个温差的总散热。[q/ΔT]的单位为W/°C。计算假设电池外的薄金属组件(即铝导体、模组壁和冷却板壁)温度均匀。[q/ΔT]cell,s和[q/ΔT]cell,e使用经验相关性确定。这些相关性是从70个代表性电芯的传热有限元模拟中得到的。前一版本的手册包含了方法的细节,70个电芯的参数范围和验证数据[19]。相关关系如下:
式中δcell、Wcell和LAl分别为电芯厚度、电芯宽度和铝热导体长度。δmetal是介于软包电池和冷却剂之间的金属厚度。它由铝制导热体、钢制模组壁和不锈钢冷却板壁组成。Ky和kx分别是电芯跨层和平行于各层的热导率。导热系数是根据铝箔、铜箔、正极涂布、负极涂布、隔膜、折边的默认值计算得出的复合参数。默认值可以在“Thermal”工作表中进行调整。ky和kx的默认电导率良率分别为0.00934和0.20108 W/cm/K。
从冷却剂面板壁到冷却剂流体的温度下降使用以下公式计算:
其中Aw2f为壁面与冷却液之间的有效面积。它相当于在模组排架的顶部和底部与模组接触的冷却面板区域。h为面板壁面与流体之间的换热系数(W/cm2/K)。计算方法如下:
式中kclnt为导热系数EG/W (0.0043 W/cm2/K)。Nu是努塞尔数。它是通过求解一组涉及流体和板之间传热的数值模拟而得出的经验关联来确定的。它基于Nickolay和Martin的相关性,该相关性将Graetz数和极限解Nu∞= 5.385与平均努塞尔数联系起来[20]。具体如下:
其中常数N和C1的值分别为3.592和2.255。Gz为Graetz数,定义为:
Re和Pr分别是雷诺数和普朗特数。其计算方法如下:
其中u是平均速度,所有其他项都在本节中定义过。用于确定Nu相关性的模拟假设了不可压缩层流;辐射可以忽略不计;和稳态条件。
(未完待续~)
来源:小明来电
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首次发布时间:2026-07-13
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全球电动汽车展望2026 - 1

近日,IEA发布了2026的《全球电动汽车展望》报告,其中第五章和第九章设计动力电池的内容,笔者将在未来几期中分享原文翻译,欢迎大家关注。第五章 电动汽车电池发展趋势电动汽车电池部署到2025年,电动汽车电池的部署量增长了近30%2025年,电动汽车(EV)仍是全球电池部署的主要来源,占总量的70%以上,较2024年的近80%略有下降。当年电动汽车电池部署量达到1.2太瓦时,比2024年增长近30%,是2020年的七倍多。轻型汽车仍占据主导地位,占2025年电动汽车电池部署总量的85%以上。然而,增长最快的领域是电动卡车,其电池需求增长超过一倍,这主要得益于中国(以下简称“中国”)市场销售的迅猛加速(2025年中国售出的每四辆卡车中就有一辆为电动)。因此,2025年电动卡车占全球电动汽车电池部署总量的约8%,而2024年这一比例不足5%。 在地区层面,到2025年,电动汽车电池的部署在中国(占全球60%)和欧盟(接近15%)实现了扩张,而在美国(10%)则保持停滞。除中国以外的新兴市场和发展中经济体(EMDEs)的增长也持续进行——它们在2025年占全球电动汽车电池部署总量的6%,凸显了道路运输电气化日益全球化的趋势。2025年,欧洲和中国的纯电动汽车平均电池能量保持大致稳定,分别接近70千瓦时和低于60千瓦时。相比之下,插电式混合动力汽车的平均电池能量在中国增长了近10%,达到超过25千瓦时;在欧盟增长了近15%,达到略高于20千瓦时。在美国,纯电动汽车和插电式混合动力汽车的平均电池能量均以约5%的相似速度增长,纯电动汽车平均电池能量达90千瓦时,插电式混合动力汽车则低于20千瓦时。 电池行业趋势电池价格持续下降,但降幅不一2025年,电池平均价格下降了8%,这得益于制造效率的持续提升、电池化学成分和技术的进步与变革,以及全球市场竞争加剧(详见“电池制造与贸易”部分)。相对较低的关键矿产价格也对成本下行起到了推动作用,尽管锂和钴在这一年中价格出现了显著上涨。如果近期锂和钴价格持续上升,可能会对电池成本造成上行压力,因为以较低价格购入的矿产库存正在被消耗殆尽。2026年初的锂价比2025年同期高出一倍以上,尽管仍低于2022年峰值约70%。这一上涨受多种因素影响,包括超出预期的需求增长——尤其是电池储能领域的需求上升、中国库存相对较低,以及临时供应中断,例如宁德时代建新枧下窝矿停产等。如果这种价格上涨趋势持续,可能对锂离子电池价格形成上行压力,并进一步强化目前钠离子电池的发展势头,后者续航能力较低但不依赖锂。不过,现有的锂供应长期合同以及主要电池生产商之间的垂直整合,可能会缓解这一影响。 过去一年,钴价格也翻了一番,主要原因是2025年2月底刚宣布的刚果民主共和国(DRC)临时出口禁令,该禁令随后于2025年10月16日起转为出口配额。由于刚果民主共和国占全球钴供应量的近三分之二,这些政策变化对市场价格产生了显著且迅速的影响。然而,如今钴价波动对电动汽车电池整体成本的影响远不如过去那么大。高镍电芯依赖相对少量的钴,而磷酸铁锂(LFP)电池则不含钴——这两种电池技术共同构成了当今电动汽车电池市场的绝大部分。2025年,LFP电池价格创下新低,也显著推动了整体电池价格的下降。2025年,每千瓦时(kWh)的LFP电池组平均比镍锰钴氧化物(NMC)替代品便宜超过40%,尽管这一成本优势部分源于固定储能应用对能量密度要求较低,而这类应用主要使用LFP电池。虽然LFP电池在材料成本上具有结构性优势,但当前价格水平的可持续性正引发越来越多的担忧。目前许多正极活性材料生产商仍处于亏损状态(见图5.7),同时持续扩大产能,这增加了市场集中化的风险。如果正极生产商能够获得定价权,这种风险或许可以缓解,但无论哪种情况,都将对电池生产成本造成上行压力。过去几年,全球各地区的电池平均价格均有所下降,但地区间的价差却不断扩大。2025年,中国电池组的价格比北美低30%,比欧洲低35%,而2022年分别仅为20%和25%。 磷酸铁锂目前占电动汽车市场的超过一半,主要得益于中国和新兴市场的推动。2025年,LFP电池在全球电动汽车电池市场中占比超过55%,较2024年的近50%有所上升。尽管部署仍高度集中在华,但其他新兴和发展中国家的采用也在迅速扩大。目前,LFP电池已为这些经济体中三分之二的电动汽车销量提供动力,这一比例是2023年的两倍,主要得益于中国制造的汽车和电池进口。 磷酸铁锂(LFP)电池可降低电动汽车的生产成本,但其应用仍主要集中在中国,中国企业在LFP电池及材料的生产和创新方面处于领先地位。在欧盟,2025年LFP电池占电动汽车电池需求的10%以上,与2024年水平相当。这些电池几乎全部从中国进口,其中30%为直接进口,近70%则嵌入配备LFP电池的电动汽车中。在美国,2025年磷酸铁锂(LFP)在电动汽车电池中的占比几乎减半,从2024年已处于较低水平,这反映了对中国进口产品关税的提高,以及与截至2025年第三季度可享受的电动汽车税收抵免政策相关的更严格的采购要求。2025年,LG能源解决方案(LGES)和福特等公司超过50吉瓦时的电池制造产能被重新调配用于LFP生产。这凸显了美国本土化该技术的努力,尽管主要面向电池储能市场,而这一市场正日益吸引过去几年在美国投资的电池制造商的关注。2025年,美国电池固定储能占电池总装机容量的三分之一,随着其在电网和数据中心的部署不断扩展,其作用也在持续增强。推动LFP电池本土化生产是实现供应多元化的重要第一步,但其背后的供应链仍是一个关键制约因素。目前,LFP正极材料及其前驱体的生产几乎完全集中在亚洲(图7.15),而中国拥有相应的制造能力和专业技术。一些多元化方案正在逐步推进,例如韩国和日本企业投资该技术,以及在印度尼西亚建设LFP生产基地。然而,要改变这种结构性失衡,需要大量投资,并需在整个电池产业链上加强国际合作。 利润微薄正对一些主要的电池和材料生产商构成挑战,但并非所有企业都受到同等影响。在主要的全球电池制造商中,韩国企业近年来持续面临盈利能力压力,部分企业——尤其是SK On——已出现持续的运营亏损。相比之下,作为全球最大电池生产商的宁德时代(CATL)则保持了强劲的盈利能力,在2020年至2024年间每年实现10%至15%的运营利润率,2025年达到18%。与此同时,宁德时代的海外业务的重要性持续增长——在其2025年中期报告中指出,海外收入占比从2024年同期的30%上升至近35%。日本最大电池制造商松下集团的电池业务也维持了稳定的利润率,2024年达到10%,2025年为14%,尽管整体销量显著下降。(尤指在同类中处于)较下的。2024年,宁德时代收入略高于LGES、三星SDI、SK On和松下能源的合并收入;2025年增长约40%;并在2026年第一季度继续保持快速增长。一个令人担忧的趋势是,近年来,多家领先的非中国生产商的盈利能力越来越依赖政策支持。LGES和松下能源等公司曾从美国的生产税收抵免中获得显著收益。据报道,2024年这两家公司若没有这些税收抵免,其营业利润率将为负,表明税收激励是维持其盈利运营的关键因素。例如,LGES在2024年的息税前利润(EBIT)超过4亿美元,但若无美国税收抵免,该利润将降至约-6.5亿美元。到2025年,这一数字可能进一步降至-2亿美元。与此同时,这些电池制造商大力投资新建产能,尤其是在北美地区。例如,LGES的年度资本支出从2021年的约30亿美元增至2024年的近90亿美元,到2025年则下降至约75亿美元。近年来,韩国和日本电池制造商进入美国市场的举措已取得成功,但如今可能对其运营带来巨大压力。尽管先进的制造业生产税收抵免政策仍然有效,但获取这些激励措施将变得越来越困难。未来几年,资格要求将进一步收紧,迫使企业加大投资以建立对华依赖程度更低的供应链。与此同时,近期政策变化削弱了对未来电动汽车电池需求的预期,使生产商更难为所需的投资提供正当理由。此外,多家汽车制造商已缩减或退出了供应协议及联合电池制造项目,导致未来投资负担完全由电池生产商承担。电池储能系统正在帮助缓解美国电动汽车相关需求的下降,电池制造商正越来越多地将重心转向这一市场领域。然而,电池储能系统不太可能提供长期解决方案,因为未来全球对电池的需求——与目前情况类似——预计仍将主要由电动汽车的普及所驱动。严格的监管要求、疲软的需求预期以及行业合作减少,使在美国大量投资并面临利润空间收窄的制造商面临更高的财务和运营风险——韩国政府最近已呼吁重组韩国电池产业。 当前电池价格的最低水平部分由供应链上游环节的亏损所维持,尤其是阴极活性材料(CAM)生产商。阴极活性材料是影响电池单元生产成本的最重要组成部分,占NMC电池成本的40%至50%,占LFP电池成本的25%至30%。然而,自2023年以来,许多主要的CAM生产商已持续处于重大亏损状态。这一严峻的市场环境不仅限于NMC材料生产商,近年来锂离子电池(LFP)的快速崛起已削弱了其需求前景。中国LFP材料生产商也持续亏损,唯有全球最大的LFP材料供应商湖南云能除外。这些状况长期来看难以持续,可能引发LFP材料市场的整合,导致市场集中度上升,或使剩余生产商获得更强的定价能力。无论哪种情况,都可能对电池价格形成上行压力。当前不具吸引力的投资环境也给寻求多元化和扩展LFP产业链的企业带来了风险。从市场韧性角度来看,多元化将带来显著优势,因为目前LFP电池回收利用市场几乎完全集中在中国市场。然而,低利润或负利润、激烈竞争以及高度市场集中所带来的风险,正使这些领域的融资和投资变得更加困难。这些风险也蔓延至锂离子电池中游供应链的其他环节,这些环节同样亟需实现多元化(见图7.15)。(未完待续)来源:小明来电

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