电动汽车用胶行业研究轻量化热管理双驱动

(报告出品方/作者:招商证券,周铮、曹承安、姚姿宇)

一、轻量化+热管理,双重需求拉动电车用胶行业成长

1、轻量化材料的应用,构建了丰富的用胶场景

在节能减排压力和提升续航能力需求的推动下,电动汽车轻量化正在加速。汽车轻量化是在保证汽车的强度、安全性和可靠性不降低的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量。汽车自身质量降低,能显著增益节能减排效果:新能源汽车减重10%,对应续航里程可增加5%~10%,并节约15%~20%的电池成本以及20%的日常损耗成本。汽车工程协会在《节能与新能源汽车技术路线图2.0》指出,纯电动乘用车的轻量化系数,应当于年、年和年分别完成降低15%、25%和35%的目标。同时,纯电动汽车整车重量每降低10kg,续航里程可增加2.5km。世界汽车用钢联盟(WAS)曾对此进行深入研究,密歇根大学的唐纳德·马伦教授发现,基于A2MAC1新能源车数据库,汽车整备质量降低不到kg,即可使续航里程从km增加到km(OA路线)。轻量化正逐渐成为降低能耗和增加续航里程的重要途径。

电动汽车轻量化通过材料应用、结构设计和制造工艺的轻量化来实现。

1)材料应用轻量化:钢铁在车身用材所占比例约为70%,提高钢材强度并降低厚度可有效降低车重,并提升汽车大变形冲击强度及被动安全性能。钢的强度范围宽,因此适用于所有覆盖件和结构件;铝、镁、塑料、碳纤维密度低,是轻量化的理想材料,其中,铝合金可以增加复杂截面部件的刚度,碰撞过程中可降低材料的消耗;镁能在铝减重基础上再减轻15%~20%,作为目前质量最轻的金属结构材料,镁合金比强度高,比刚度大,耐冲击,可重复利用且加工、铸造性能好;塑料广泛应用于汽车保险杠、发动机冷却风扇、内饰等,在减轻车身质量和碰撞吸能方面发挥重要作用;碳纤维增强塑料性能普遍优于玻璃钢,应用于发动机罩时,可使发动机减重6kg以上,可采用混杂纤维的方式降低碳纤维制品的成本。这些轻量化材料在车身结构中常常混合使用。

2)结构设计轻量化:包括尺寸和形状的优化,以及拓扑优化。尺寸优化指在保证结构件的整体性能的前提下,对截面面积以及厚度等进行优化;形状优化指示对结构件以及孔洞的形状进行优化,使材料达到更好的使用效果,减少受力不均现象;拓扑优化先根据结构件与其旁边构件的方位关系来划分设计区域,在不对其他零件产生干涉的前提下,根据力学性能参数建立符合约束条件的目标函数,最后得到材料的最优分布状况和传力最佳途径,是轻量化最有潜力的方法之一。

3)制造工艺轻量化:包括激光焊接、液压及热成型。激光拼焊采用高密度热量的激光做热源,将厚度、材质、冲压性能以及表面处理方式不同的结构件进行焊接;液压成型通过高压液体传递压力,让工件产生塑性变形,成形质量高、精度高、可靠性好、生产周期短,相比一般的焊接,应用面更广。

轻量化材料在电池包和车身中的应用构建了丰富的用胶场景。轻量化材料需要更合适的连接方式来匹配其应用。以大众MEB平台电池包和奥迪A8车身为例,MEB电池的上盖与箱体、以及箱体底板与外框的安装处,都使用了FDS(热熔自攻螺接工艺)技术,同时结合单组份胶进行密封;3M公司的胶接技术也已应用到电池包底板的拼接使用中,其结构胶的最大抗剪力可以达到40MPa。新一代奥迪A8的车身连接方式达14种,包括MIG焊(熔化极惰性气体保护焊)等8种热连接技术和胶粘、卷边连接等6种冷连接技术。当下主流的汽车连接方式主要有焊接、铆接和机械连接等,随着高强钢、金属合金等轻量化材料的使用,传统焊接和机械连接的适用性受到限制,接头中应力分布均匀、强度高、成本低、质量轻的胶粘剂则脱颖而出。胶粘剂可调节复合材料的热膨胀特性差别,兼具防腐、密封等功能。得益于其不易变形、结合应力分布均匀的优点,胶接技术逐渐成为解决连接难题的重要技术之一。

电池结构向轻量化的改进,进一步打开了胶粘剂的应用空间。传统CTM电池由于有模组的存在,通过机械连接即可完成从电芯到电池包的组装,单位电池包的用胶量较少,但CTM中结构件的使用不仅增加了重量,还限制了电池包能量密度的提升,于是,CTP、CTB/CTC技术应运而生。CTP结构是将电芯直接组装到Pack壳体中,省却了模组部件,显著减轻了电池包的整体质量,同时使用导热硅胶在电芯与电芯之间、电池壳与电芯之间进行热传导,采用CTP技术后理论用胶量会多出3倍以上。宁德时代的第三代CTP技术(麒麟电池)取消了横纵梁,则需要更多的胶体以增大电芯的连接强度。CTC技术取消了电池包上盖板或座舱地板,进一步简化车身线缆和结构件,由于其轻量化与高空间利用率的优势,这一技术有望成为未来的发展方向。CTB是向CTC演变的过渡形态,比亚迪海豹利用长刀电芯提供结构支撑,将车身底板与电池包上壳体合二为一,电池的上盖、前后横梁形成了一个平面,然后通过密封胶等方式和车身完成组装,电芯集成度提高,带动对胶的用量。随着CTP等新技术的应用,单个PACK包胶粘剂用量有望从当前的-元增长至-元。

2、热管理需求的提升,打开导热胶的增量市场

热管理不当易导致安全事故,电池安全性成为消费者购买纯电动汽车最


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