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          碳纖維/玻璃纖維復合材料新能源汽車電池殼

          天使輪融資輪次

          • 融資項目介紹

          我國已全面確立了2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標。在碳中和背景下,交通領域降低碳排放主要依靠公路運輸的汽車電動化,新能源汽車將迎來廣闊的增長空間。

          新能源汽車行業從經濟學角度是指從事新能源汽車生產與應用的行業。新能源汽車是指除汽油、柴油發動機之外所有其它能源汽車,被認為能減少空氣污染和緩解能源短缺。在當今提倡全球環保的前提下,新能源汽車產業必將成為未來汽車產業發展的導向與目標。

          在傳統燃油車時代,由于掌握汽車的核心零部件(如發動機、變速箱、底盤),整車企業對產業鏈上下游擁有絕對的話語權。步入新能源汽車時代,由于核心競爭力由傳統動力總成系統轉向三電系統與智能網聯系統,汽車行業的知識體系由過去機械體系轉向電化學體系與通信體系,傳統整車企業不再擁有絕對話語權,整個汽車產業的話語權逐漸向三電系統與智能網聯系統的核心供應商傾斜,漸成三足鼎立的局面。

          電池包作為新能源汽車的核心部件,在汽車續航里程上起著至關重要的作用。

          動力電池系統是電動車的核心驅動力。它由電池模塊,電氣系統,熱管理系統,電池管理系統,殼體等零件組成。殼體的主要作用是承載和保護電池模塊,需要滿足強度,剛度,碰撞安全等機械要求。

                

          一般認為純電動汽車重量降低10%,續航里程便可增加約6%。電池包系統重量占整車20%以上,成本占整車高達30%-60%,新能源汽車較傳統汽車更需要輕量化。在動力電池系統中,電池殼占系統總重量約 20-30%,是主要結構件,因此在保證電池系統功能安全和車輛整體安全的前提下,電池殼的輕量化已經成為電池系統主要改進目標之一。電池殼輕量化技術包括新材料,新工藝和新設計(殼體和熱管理系統集成,車身集成設計)。

          電池箱發展趨勢

          目前市場上鋼板,鋁板,擠壓鋁,壓鑄鋁,玻纖復材,SMC復材,碳纖復材都有應用。

          1、鋼制殼體

          Nissan Leaf采用鋼制殼體,主要工藝是鋼板沖壓和點焊連接。鋼制殼體能夠提供高強度和剛度,工藝簡單,是車身制造領域最傳統最成熟的工藝。

          2、鋁制殼體

          (1)鋁板+壓鑄鋁

          鑄鋁的電池托盤箱體一體性較好,避免了鋼制或擠出型材的焊接、密封、漏水、腐蝕等問題?;靹影?/span> Cadillac CT6和 Audi Q7 e-tron均采用了鋁合金殼體。兩個車型的電池下殼體采用壓鑄鋁合金,上殼體(蓋 板)采用鋁板沖壓件。鋁合金壓鑄下殼體采用一次成型工藝,工藝簡單,能夠提供較好的強度、剛度和密封性能。鋁合金上殼體主要起密封作用,采用鋁板沖壓件降低重量。受壓鑄機設備噸位限制,鋁壓鑄殼體尺寸較小,一般常用于混動車型動力電池系統。

          (2)鋁板+擠壓鋁

          鋁合金框架和鋁板結構電池殼結構設計靈活,減重明顯且工藝較成熟,擠壓鋁的框架能夠提供高剛度和高強度,鋁板沖壓件密封。特斯拉Model S,蔚來 ES8、大眾 MEB等項目電池殼均采用了鋁合金框架和鋁板結構。

          3 混材

          (1)鋼鋁混合

          特斯拉Model3電池上蓋是0.8毫米的鋼板,地板是3.2毫米的鋁板。

          (2) 塑料+鋁板

          世界最大電動車廠商比亞迪使用了上板塑和下板鋁作為電池殼體,以提升電池包的能量密度,增加了續航能力。以其秦Pro EV500為例,相比上一代秦EV車型,電池包減重157kg,系統能量密度提升至1609Whkg。據比亞迪官方數據,秦Pro EV500的工況續航里程420公里,最大續航里程達500公里。

          吉利帝豪EV450和廣汽傳祺GE3 530等車型,采用的就是上殼體SMC輕量化材料,以及下殼體高強度鋁來進行封裝。后者電池系統能量密度為160Whkg,已經處在主流水平。

          1.4.4 碳纖維復材

          蔚來ES6的碳纖維增強型復材(CFRP)電池外殼比傳統的鋁或鋼制電池外殼輕40%,具有高剛性,而且比鋁的熱導率低200倍。但是成本相對較高,普通車型不易接受。

          1.4.5其他材料

          電池殼可以考慮用熱成形鋼做電池殼體,在碰撞中需避免電池包的侵入及避免著火爆炸等風險。但目前還未見有在汽車上大批量應用。

          電池殼還可以采用泡沫鋁等材質來制造,但目前還未見有在汽車上大批量應用。

          1.5現有產品存在痛點問題

          目前,電池箱體仍以鋼制箱體、鋁制箱體為主,通過前面的介紹,金屬材質的電池箱主要存在以下問題:重量偏大、易變形、資金投入大、工藝復雜、易腐蝕、易漏電等缺點

          為了解決這些痛點問題,我們開發了復合材料電池箱改進方案。

          • 項目商業計劃書

          輕量化意義

          隨著世界能源危機和環境污染問題日益嚴重,汽車輕量化越來越受到人們的重視。輕量化對汽車節能減排的效果直接而顯著,試驗證明,對于傳統燃油汽車,汽車整備質量每減輕10%,可降低油耗8~10%,排放下降3%4%;對于新能源純電動汽車,汽車整備質量每減少10%,電耗下降5%,續航里程增加6%。同時汽車質量的降低可減小汽車制動距離,提高安全性能。所以,無論是對傳統燃油汽車,還是對新能源汽車,汽車輕量化研究均具有重要意義。

          輕量化并非簡單地將整備質量減輕,而是在保證強度和安全性能的前提下盡可能地降低整備質量并保證制造成本在合理范圍內,以實現安全性和經濟性的兼顧統一。電池包箱體作為動力電池的承載和防護機構,在電池包系統中占據重要位置,而且其整備質量目前偏大,具有較大的輕量化空間,同時政策對于電池包能量密度的要求逐步提高,使得電池包箱體輕量化發展具有很強的緊迫性。

          針對輕量化過程中引入的新材料和新結構連接需求,本文對電池包箱體輕量化提出了一種新的解決方案,旨在對輕量化設計和制造提供有益借鑒。

          本項目是通過對先進復合材料在電池箱的應用研究,研制出輕量化、集成化的復材箱體并實現批量生產,減輕汽車電池包重量,提高電池包能量密度、提高新能源汽車續航里程,以推動低碳環保、節能減排等全球關注的資源與環境問題,促進新能源汽車技術的進步。

          新能源汽車輕量化必要性

          對于新能源汽車,輕量化有更為重要的意義。

          方案概述

          傳統電池包箱體一般采用低碳鋼鈑金和焊接工藝加工而成,成本較低但箱體質量較大,嚴重影響電池包系統能量密度的提高和新能源汽車的輕量化,不符合發展趨勢,需要進行輕量化改進。目前針對電池包箱體輕量化的主要手段為輕量化材料應用和輕量化結構設計。

          電池箱上蓋性能要求較低,主要起到密封,防護的作用。本方案采用的是輕量化材料應用,采用玻纖SMC+玻纖預浸料+玻纖氈3種狀態的纖維混合鋪層而成,采用混合鋪層PCM模壓快速成型工藝,生產節拍達到5分鐘/件。截止目前為止,較為先進的復合材料電池箱上蓋有連續玻纖PCM工藝和SMC模壓工藝,而我司技術目前應該是電池箱上蓋的最佳選擇。該技術較連續玻纖PCM工藝:①降低產品成本;1400連續玻纖預浸料和1玻纖SMC片料每平米的成本相當,采用本方案省掉1200連續玻纖預浸料的成本;②提高鋪層效率,玻纖SMC片料對鋪層的要求相對較低,連續玻纖預浸料對鋪層的要求較高,單純1玻纖SMC片料的替換可以節省鋪層工時,減少了1層連續玻纖預浸料的同時又節省1層的鋪層工時。較不飽和SMC片料模壓工藝,重量又減少30%以上。

          電池箱下箱體性能要求較高,結構復雜,還有很多安裝點和加強筋,單純采用連續纖維很難實現且制造成本較高。本方案也是采用多種材料復合,采用玻纖SMC+碳纖預浸料+玻纖預浸料+金屬4種材料復合而成,制作成預成形體,采用PCM模壓快速成型工藝,生產節拍達到5~10分鐘/件。結構中各類加強筋和安裝點通過SMC片料成型出來,并預埋螺母,一體成型出來。單純SMC片料強度不夠,需結合玻纖預浸料來提升整體強度和剛性,并在局部位置使用少量碳纖維來加強局部性能。沖擊強度要求高的區域使用金屬板來確保沖擊性能。

          2.4選材 

          2.4.1玻纖環氧SMC片料

          可回收環氧玻纖SMC是采用可回收環保阻燃環氧樹脂浸潤短切玻璃纖維制備的可回收環保低密度阻燃環氧片狀模塑料,適用于汽車和高鐵的輕量化復合材料次承力結構部件和裝飾部件,能夠實現低成本、批量化生產。

          GS-50LF具有低密度、快速成型特性,140 ~ 150℃條件 5 ~ 10min即可模壓成型復合材料部件;玻璃化轉變溫度 120 ~ 130℃;制備環氧片狀模塑料復合材料力學性能良好,部件可實現回收再利用;無 VOC 排放,具有環保阻燃、低煙、低毒、特性。

          連續玻纖預浸料

          GFP-400F是采用可降解阻燃環氧樹脂浸潤玻璃纖維布制備的可回收環保阻燃快速成型玻璃纖維布預浸料。GFP-400F可用于汽車和高鐵的復合材料次承力結構部件和裝飾部件的生產制造,能夠實現低成本、批量化生產。

          GFP-400F具有快速成型特性,在140 ~ 150℃條件下,5 ~ 10min即可模壓成型復合材料部件;低VOC;具有環保阻燃、低煙、低毒特性;制備的復合材料力學性能良好,部件可實現回收再利用。

          設計方案

          由于本產品原有金屬結構配合關系及安裝關系基本已固定,故本產品的安裝硬點繼承原有結構??紤]產品脫模問題,調整產品結構,設計拔模角3°以上。

          根據現有成熟復合材料電池箱蓋結構,連續玻纖預浸料方案主體厚度為0.9mm,本方案采用玻纖SMC片料+連續玻纖預浸料方案,上蓋主體厚度設計為1.1mm;翻邊區域考慮到連接和密封需達到一定的剛度,設計厚度為2.5mm。

          下箱體以玻纖SMC和玻纖預浸料為主,金屬為輔,適當使用碳纖預浸料,內部橫縱梁和翻邊下側均為SMC結構模壓,主體厚度3mm以上,可根據受力分析,利用SMC材料的優勢局部加厚,實現安裝和加強筋結構,在外表面設計1.6mm玻纖預浸料鋪層,提升整體性能。在底部和側面碰撞區域使用金屬板補強。

          采用此種結構形式的電池箱具有以下優勢:

          輕量化:降低電池能耗,減重約35%以上。

          低成本:省去沖壓、焊裝和電泳工藝設備的巨額投資。

          模塊化:多零件結構和功能集成化、可快速制造、減少多套模具開發、可批量化生產。

          增性能:耐腐蝕、提高密封性、增加續航里程。

          主要工藝過程描述:

          步驟一:提前將壓機上的模具預熱至150±5℃。

          步驟二:玻纖SMC片料、連續玻纖預浸料按下料展開圖下料,使用2.5m長的自動下料機進行下料。法蘭邊區域下料寬度比產品實際寬5~10mm。

          步驟三:在鋪層模具上(陽模)依次鋪貼步驟中裁切好的玻纖SMC片料、連續玻纖預浸料,SMC片料在棱角處需搭接10~20mm,法蘭邊區域鋪層對接區域錯開100~150mm,避免在同一區域影響產品性能。

          步驟四:在4個棱邊處繼續鋪貼寬度為30~50mm的連續玻纖預浸料補強片,保證鋪層強度。

          步驟五:在已加熱的陽模、陰模上噴涂CLE-705脫模劑2~3遍。

          步驟六:將鋪貼好的預成型坯取下來放到步驟五中的模具上,合模加壓到3~15MPa,保溫4~6min。

          步驟七:將固化后的產品取下放在夾具上夾緊。

          步驟八:采用6軸機械手進行鉆孔、切邊。

          步驟九:對產品進行打磨噴漆等后處理。

          生產節拍(成型各階段)(22小時工作制)

          1套模具按照流水線連續生產,生產節拍約6min,單套模具一天22h生產效率約220件產品。一年按280天計算可生產約60000,根據產能需求匹配相應數量模具。

          2.7競爭情況

          目前市場上電池箱上蓋仍以鋼制電池箱和鋁制電池箱生產企業為主,也有部分供應商采用SMC模壓方案和連續玻纖模壓方案,暫未形成復合材料細分領域的成熟供應商,在該領域屬于空白。我司方案結合兩種工藝優勢,在技術成熟,滿足成本及生產效率的前提下,迅速進入電池箱供應商體系。

          目前下箱體市場只有鋼和鋁的方案,還沒有復合材料方案成熟應用,下箱體的應用前景很好,采用復合方案具有明顯的優勢。

          目前為止沒有復材下箱體成熟應用,大家都處于研發當中,而我們借助FAR公司技術和上蓋成熟應用的技術基礎,處在復材下箱體研發的前沿,目前已經通過理論分析認證,可以率先研發出復合材料的下箱體。我司在下箱體上的研發優勢如下:

          (1) 成熟經驗:復合材料PCM電池箱上蓋起步于2019年,到目前已成熟應用并成為上蓋最先進的工藝之一,再往前的技術主要是SMC模壓工藝,減重效果沒有PCM工藝明顯。在電池箱領域我司曾開發多款商用車的下箱體和先進的PCM上蓋產品,可將該開發經驗借鑒到乘用車的下箱體上,并依托FAR的碳、鋁粘接技術,將多種材質應用箱體的輕量化上,更好的發揮各種材質的優勢。

          (2) 成熟工藝:采用成熟的復合材料模壓工藝和SMC模壓工藝,將兩種工藝結合,發揮各自的優勢,可以制造出更復雜的下箱體結構,滿足電池模組的安裝需求,同時還能保證下箱體的性能。另外,傳統復合材料鋪貼工時較長,無法滿足批量生產需求,我司通過對上蓋的批量應用,已從結構設計、材料選型、工裝應用、工藝改進等方面解決了鋪層效率和成型效率的問題,實現批量生產節拍。

          (3) 性能優勢:多數復合材料企業采用碳纖維復合材料的技術方案,雖然性能很好,但成本非常高,很難達到客戶對成本的需求,不能作為批量應用的方案或無法應用到低端車型上,產業化價值較低。我司通過產品設計優化和對材料進行甄選,并與材料廠商合作開發專門用于電池箱產品的原材料,以玻纖復合材料為主體,碳纖、金屬作為輔助材料,從而保證產品性能和功能,還能極大的降低產品成本,滿足客戶需求。

          (4) 價格優勢:由于各家金屬電池箱的產量和工藝不同,目前部分復材電池箱的價格會低于鋁合金,多數還是會與金屬的價格持平或者高出15~20%左右,此價格從減重帶來的效果來看,客戶是相對容易接受的,如果高于50%以上,客戶很難接受。某鋁合金電池箱總成在100kg,以減重35%為例,復材電池箱約為65kg,提升電池能量密度約11%,可以增加整車續航13km或者降低1.4kwh的電池容量,或者多裝35kg的電池模組再提高整車續航(估算數據)。

          項目總結

          此項目已與多家主機達成廠意向合作,分別是奇瑞、小鵬、蔚來、CATL、宇通等,期待盡快實現批量化生產。

          從技術可行性、全球市場規模、客戶需求,設計創新以及車輛的實車驗證等方面,我們堅信碳纖維復合材料是新能源車發展的重要方向,未來也將得到廣泛的應用。

          公司瞄準萬億級的新能源汽車與碳纖維復合材料市場,我們立志成為該領域的先行者,將大力推動碳纖維材料的工業化規模應用為行業提供綜合的創新技術解決方案。

          4.1投資規劃

          4.1.1廠房基礎設施

          購置廠房20000;也可以與政府合作,通過政府協調現有閑置廠房免租金使用。后期資金投入主要為設備等固定資產。

          4.1.2電池殼體生產線建設與投資預算

          產線分為四期投資,總投資額2.7億元,全部為固定資產(不含流動資金及廠房:考慮政府提供現有閑置廠房免租或租賃);

          一期投資12129萬元,固定資產投資7129萬元,流動資金5000萬元(考慮股東方3000萬元,剩余銀行融資);

          二期投資9074萬元,固定資產投資3574萬元(由當年產生的凈利潤支出,流動資金5500萬元(考慮銀行融資);

          三期投資17986萬元,固定資產投資6986萬元(由當年產生的凈利潤+銀行融資,流動資金11000萬元(考慮股權釋放);

          四期投資29388萬元,固定資產投資9388萬元(由當年產生的凈利潤支出,流動資金20000萬元(考慮銀行融資)。

          4.2經濟效益分析

          4.2.1五年市場預測

          未來五年目標客戶市場主要為奇瑞新能源、奇瑞瑞露、小鵬汽車、蔚來汽車、寧德時代、比亞迪及宇通汽車。先期主要以奇瑞市場打開銷路,把產品做實做精積累經驗,奠定良好的客戶口碑;后續不斷進入中端市場,通過中端市場迅速提升規模。

          4.2.2五年經濟效益預測

          通過現有復合材料市場的批量應用,未來5年公司規模將進入快速增長階段,預計到2026年底營收規模達到10.73億元。5年累計營收27.76億元,累計利潤1.75億元,累計稅金1.57億元。

          4.4市場前景

          本項目涵蓋新能源汽車電池箱體的開發和制造,屬汽車行業配套零部件產品,符合(中國制造2025)國家產業政策。

          汽車零部件輕量化:預計2025 年我國乘用車銷量可達 3000 萬輛,乘用車的輕量化市場規模將達到3807.5 億元,到2035年乘用車銷量達6000萬輛,乘用車的輕量化市場規模將達到7615億元。

          電池箱體市場規模:預計在2025年將有650萬輛新能源汽車,其中配套上箱體與下箱體將有200億市場規模(電池箱按3000元/套,到2030年將有1600萬輛新能源汽車,其中整包達到12000億產值,配套上下箱體將有480億市場規模。公司未來5~10年力爭做到10%的市場占有率。

          本項目附加值高,目前在高速發展期,前景無限。此項目建成后同時可安排當地勞動力就業,增加地方財政收入,帶動周邊其他產業發展,具有良好的經濟效益和社會效益。

          該項目建設投產后,提高了公司經濟效益,擴大了產業規模,并且進一步推動了公司汽車產業轉型升級向多元化、精細化發展。

          • 團隊介紹

          項目團隊介紹

           

          劉毅,畢業安徽師范大學,常務副總。曾就職于奇瑞汽車、聯合卡車、奇瑞科技、蕪湖造船廠,有20年乘用車、重卡、零部件、軍工等企業產品制造及經營管理經驗。在碳纖維復合材料的市場開拓和企業經營管理方面有著較好的資源和經驗,立志打造碳纖維復合材料在中國市場的冠軍企業。

           

          崔國新,技術總監,畢業于山東大學,獲得工程師、PMP項目管理證書。曾就職于哈飛飛機、長城汽車、精功復材等知名企業,參與Z9、Y12F飛機、H1、H4車身項目開發工作。主導完成30余個復合材料項目開發工作,具有豐富的復合材料設計開發應用經驗。

           

          王天黎、財務總監,高級會計師,外企高管及上市公司任職,擅長財務管理,稅務管理,投融資管理。曾任職美國惠爾蒙家具集團財務負責人;大洋電機子公司財務負責人;奇瑞汽車股份有限公司;奇瑞科技有限公司外派財務總監;亞格盛新材料公司財務總監。

           

           

          呂錦輝,外貿經理,畢業于江蘇大學經貿英語專業,曾就職于信義玻璃浮法系統負責東南亞市場推廣業務。具有多年國際貿易市場從業經驗,敏銳的市場嗅覺。

           

          張吟秋,項目助理,畢業于安徽工程大學外國語學院,負責項目信息材料整理。

           


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