新能源汽車電池包PACK箱體結(jié)構(gòu)輕量化研究

關(guān)鍵詞：TIM材料，新能源汽車，電池PACK箱體，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)語：通過分析現(xiàn)有電池包箱體的研究狀況，對電池包箱體的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)進行了梳理。在選材上，輕質(zhì)合金箱體是目前電池包箱體輕量化的主要用材；在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，箱體的耐撞結(jié)構(gòu)、加強筋和內(nèi)部模組隔板是設(shè)計時考慮的重要因素。最后，提出車身-底盤電池包結(jié)構(gòu)一體化、一次成型和連接技術(shù)輕量化將是電池包箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要趨勢。

新能源汽車在不改變電池系統(tǒng)總能量的情況下，電池系統(tǒng)質(zhì)量降低能夠有效提高其續(xù)航里程，電動汽車質(zhì)量減10%，能提高續(xù)駛里程5.5%。電池系統(tǒng)重量在新能源汽車總重量中占有較大的比重。較傳統(tǒng)燃油汽車而言，電動汽車核心的三電系統(tǒng)(電池、電機、電控)和智能化設(shè)備，使 得電動車相比同類車型電動乘用車重量增加10%-30%，電動商用車重量增加10%-15%，其中電池Pack整包占整車整備質(zhì)量的18%～30%。材料迭代+結(jié)構(gòu)優(yōu)化，輕量化結(jié)構(gòu)件。以特斯拉Model3為例，電池Pack各主要部件中，質(zhì)量最大的是電芯本體（62.8%），其次為Pack下箱體 （6.2%）、模組殼體及支架（12.3%）和BMS等部件集成系統(tǒng)（11.1%）等。從這些部件出發(fā)，通過材料替換和結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，對電池進行輕 量化開發(fā)。Cell to Pack(CTP) ：減少或去除電池“電芯-模組-整包”的三級 Pack結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

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目前有兩種不同的技術(shù)路 線：以比亞迪刀片電池為代表的徹底取消模組 的方案；以寧德時代CTP技術(shù)為代表的小模組 組合成大模組的方案，提高了能量密度和體積 利用率。CTP中電芯熱失控管理難度加大，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱膠對模組散熱的要求，以及外部隔熱膠隔熱阻燃的要求更高。

一、前言

電動汽車動力系統(tǒng)是一個機械和電氣相結(jié)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，設(shè)計時應(yīng)充分考慮其剛度、強度、振動及使用壽命。隨著電動汽車對高能量密度和短時間充電的迫切需求，三元正極材料、快速充電技術(shù)的應(yīng)用使鋰離子電池極易發(fā)生機械濫用、電氣濫用和熱濫用，進而導(dǎo)致電池系統(tǒng)熱失控和整車起火爆炸，故動力鋰離子電池已成為新能源汽車動力系統(tǒng)領(lǐng)域研究的熱點和難點[1]。電池包箱體（殼體）是電池包的主要承載部件，只有箱體的靜、動態(tài)（剛強度、模態(tài)等）穩(wěn)定，才能保證動力電池不出現(xiàn)濫用工況，使動力系統(tǒng)平穩(wěn)運行[2]。?本文針對新能源汽車電池包箱體輕量化途徑（材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)）的研究成果進行系統(tǒng)梳理，對主流電池包箱體輕量化技術(shù)進行闡述，并分析其研究重點和發(fā)展方向。

二、電池包箱體材料輕量化研究

電池包箱體材料應(yīng)具備電絕緣性、高散熱性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點，箱體一般由上、下箱體和密封系統(tǒng)組成。電池包質(zhì)量占整車系統(tǒng)質(zhì)量的18%～30%，而箱體質(zhì)量約占電池包總質(zhì)量的10%～20%[3]。目前普遍使用金屬作為電池包箱體材料，復(fù)合材料由于其優(yōu)異的比剛強度也逐漸受到重視。

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2.1 電池包箱體用金屬材料

在電池包箱體所用的金屬材料中，鋼板材料的制造工藝簡單、成本低，具有較好的導(dǎo)熱性、抗沖擊性和熱管理能力，為箱體的常用材料，但其主要缺點是質(zhì)量較大[4]。隨著汽車輕量化設(shè)計理念的深入，鋁合金因密度小、剛強度大和壓鑄性能好等優(yōu)點，逐漸成為實現(xiàn)汽車輕量化的主要材料，目前已經(jīng)生產(chǎn)出鑄鋁電池箱、鋁板材電池箱和鋁型材電池箱等產(chǎn)品[5]。其中，鋁制電池包箱體的承載結(jié)構(gòu)主要分為底板式和框架式[6]。大眾公司研究發(fā)現(xiàn)，框架承載式結(jié)構(gòu)的箱體能滿足不同結(jié)構(gòu)的強度要求，更易實現(xiàn)輕量化[7]。此外，金屬和塑料的結(jié)合也是實現(xiàn)電池包箱體輕量化的主要方式，如比亞迪-秦（Pro EV500）電池包的上、下殼體分別采用片狀模塑料復(fù)合材料（Sheet Molding Com?pound，SMC）和高強鋁?？紤]到成本、加工等因素，國內(nèi)入門級和經(jīng)濟型電動汽車的電池包外殼多采用鋼制箱體，部分新能源汽車電池包采用金屬箱體材料，如表1所示。表1 部分乘用車電池包箱體材料2.2 電池包箱體復(fù)合材料電池包箱體使用的復(fù)合材料以碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維增強復(fù)合材料和SMC復(fù)合材料等輕量化材料為主，不同材料制成的電池包箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示，國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)合材料箱體也有針對性的研究。如Baumeister等[8]利用泡沫鋁復(fù)合三明治材料成功制成了能轉(zhuǎn)載20 kW·h 的電池包下殼體，并使下殼體質(zhì)量減輕了10%～20%。Choi 等[9]以尼龍6（PA6）為基體，通過改變碳纖維和玻璃纖維的含量（纖維總摻加量不超過40%），在滿足強度、沖擊等性能的條件下，成功開發(fā)出相比普通鋼材質(zhì)量減輕31%的增強塑料下殼體。毛占穩(wěn)等[10]與一汽轎車共同開發(fā)碳纖維電池包箱體，成功將箱體質(zhì)量由110 kg減輕到19 kg。碳纖維增強復(fù)合材料具有密度低、剛強度大等優(yōu)點，已在電池包箱體中大量應(yīng)用[11-13]。德國ICT化工技術(shù)研究所研制出了一種以聚氨酯為基體的熱固性塑料電池包箱體，該箱體質(zhì)量35 kg，可承載340 kg的電池組，比同等規(guī)格鋼材質(zhì)量減輕35%以上[14]。邵明頂?shù)萚15]利用連續(xù)玻璃纖維編織布作為基材，環(huán)氧乙烯基樹脂作為基體的玻璃纖維增強復(fù)合材料通過預(yù)浸料模壓成型工藝制作電池箱體，也實現(xiàn)了輕量化效果。圖1 不同材料制成的電池包箱體結(jié)構(gòu)從上述國內(nèi)外研究進展可以看出，電池包的輕量化研發(fā)和設(shè)計進程將會持續(xù)進行，但新材料、新工藝所帶來的制造成本較高，并不利于大規(guī)模應(yīng)用。新能源汽車動力電池包箱體設(shè)計需要綜合考慮電池包的內(nèi)部散熱、防水防塵和安全性問題，所以兼顧動力電池包的輕量化和其他各項性能平衡的設(shè)計將會是一項重要的挑戰(zhàn)。

三、電池包箱體結(jié)構(gòu)輕量化研究

目前，新能源汽車電池包箱體多固定在汽車底板安裝支架上，一般分為上、下殼體2個部分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 車用電池包箱體結(jié)構(gòu)示意1.上箱蓋 2.電池組 3.電池托盤 4.下殼體3.1 電池包形狀及布置目前新能源汽車的電池包結(jié)構(gòu)主要有“土”字型、“凹”字型、“T”字型和“滑板”式，其形狀和布置方式主要受車型開發(fā)平臺的影響，不同電池包結(jié)構(gòu)如圖3 所示。以圖3b 所示的“凹”字型電池包為例，電池包箱體的布置充分利用了汽車底板與地面之間的空間結(jié)構(gòu)，使其能與乘員艙底板充分貼合，但上殼體靠近車身地板，地板部分結(jié)構(gòu)也會與電池包箱體產(chǎn)生沖突，所以電池包布置時還應(yīng)考慮與車身地板間的間隙等因素。在結(jié)構(gòu)上對箱體所用沖壓材料的厚度進行了相應(yīng)減薄，并配合外部凸筋進行組裝，簡化了電池包結(jié)構(gòu)特征，減輕了質(zhì)量，提高了電池包的密封性和可靠性[16-17]，但該電池組缺乏有效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，會降低極端環(huán)境下的使用性能[18]。在電池包箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，圖3d所示的“滑板”式電池包設(shè)計較為經(jīng)典，電池包與車身底板融為一體，極大節(jié)約了使用的空間，且利用整車的框架對電池組進行保護，這種結(jié)構(gòu)已成為電動汽車電池包設(shè)計的主要趨勢。圖3 純電動汽車電池包結(jié)構(gòu)電動汽車電池包的布置方式需要根據(jù)汽車整體的空間結(jié)構(gòu)和布局進行設(shè)計，離地間隙、驅(qū)動方式和載荷是需要考慮的重要因素[19-20]。隨著電池包技術(shù)的不斷突破，其布置方式也更加科學(xué)合理，表2 匯總了不同品牌車型的電池包排列方式，可以看出電池包的布置形式主要分為車身后置和車身底板下置2種，其中底板下置的布置方式能夠降低車身重心、提高整車操縱穩(wěn)定性和優(yōu)化碰撞傳力路徑，已經(jīng)成為電池包布置的主要方式。表2 全球知名電動汽車的電池包排列方式

3.2 電池包下箱體結(jié)構(gòu)

電池包下箱體作為電池包系統(tǒng)的承載部件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和布局直接影響電池包的使用壽命。下箱體內(nèi)部布局與其耐撞結(jié)構(gòu)、加強筋和內(nèi)部模組隔板設(shè)計有關(guān)。對于下箱體碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計，因道路的復(fù)雜性和碰撞形式的多樣性，不能保證設(shè)計出不可穿透的下箱體結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者對電池包箱體碰撞結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)研究。楊威[21]通過選擇不同材料和厚度的鋁合金箱體對電池包結(jié)構(gòu)抗壓性能和電池局部變形進行驗證，結(jié)果表明，電池包箱體底板的失效位移與板厚無關(guān)。Rawlinson[22]在專利中指出，雙層防護板和泡沫夾層板的電池包箱體具有良好的防撞效果。此外，也有學(xué)者建立了電池包箱體有限元模型，并對其正面和側(cè)面碰撞的安全性能進行分析，普遍認為下箱體碰撞結(jié)構(gòu)選擇吸能的三明治結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)，能提高電池包下箱體的碰撞安全性[23-25]。為避免壓縮和沖擊變形的破壞，同時滿足輕量化設(shè)計理念，具有局部加強筋的加強板也受到關(guān)注[26-27]。國內(nèi)外學(xué)者對其進行了研究，如：黃娜[28]對鈑金件加強筋結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，使支撐板的剛度較大幅度提升；段昀輝等[29]對車身鈑金件不同區(qū)域加強筋進行優(yōu)化，得到了加強筋最優(yōu)設(shè)計方案；Afonso等[30]針對變厚度板殼進行優(yōu)化，得到了加強筋的布局和形貌。電池包箱體設(shè)置加強筋，使箱體受力時不易變形，同時固定了電池組陣列，提高抗彎扭強度，改善了其抗失衡能力。加強筋設(shè)計時應(yīng)充分考慮其截面、起筋方向和排布，在保證箱體剛度的前提下，盡可能降低其在電池箱內(nèi)部的空間占有率。新能源汽車電池組多為2層或多層排布，電池箱內(nèi)常設(shè)有隔板以實現(xiàn)電池包各層的安裝固定。隔板設(shè)計時應(yīng)考慮其與箱體、連接結(jié)構(gòu)間的穩(wěn)定性，在保證隔板剛度的條件下，盡可能減輕質(zhì)量。目前電池箱體的內(nèi)部多以貫通的截面梁和管、管狀梁方式布置，多個橫梁、縱梁將電池包內(nèi)部分為多個電池模組的安裝區(qū)域。部分新能源汽車電池包下殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如表3所示。表3 部分新能源汽車電池包下殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.3 電池包箱體輕量化優(yōu)化方法研究

為了在較短時間內(nèi)開發(fā)出性能優(yōu)良且穩(wěn)定的產(chǎn)品，研發(fā)階段不僅要使用傳統(tǒng)試驗技術(shù)，還常利用有限元仿真技術(shù)，輔助完成產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計[31]。國內(nèi)外學(xué)者在電池包箱體輕量化仿真優(yōu)化上也進行了針對性研究，如：Hartmann 等[32]采用有限元優(yōu)化軟件OptiStruct 對電動汽車電池包箱體的形貌進行優(yōu)化設(shè)計，成功減小了電池包箱體的壁厚，使整體質(zhì)量減輕了20%；Wang等[33]建立了電池包有限元模型，進行多目標(biāo)拓撲優(yōu)化，確立了材料的最優(yōu)分布，使電池包箱體質(zhì)量減輕了10%；Kaleg等[34]利用鋁合金對電池包板厚進行優(yōu)化，并得到最佳質(zhì)量的電池包箱體；LIU 等[35]開發(fā)了一種碳纖維編織布的優(yōu)化設(shè)計方法，通過多尺度參數(shù)優(yōu)化，在滿足性能要求的前提下使得復(fù)合材料電池包箱體質(zhì)量減輕了22%；張宇等[36]利用CAE有限元分析方法對電池包箱體下板進行形貌優(yōu)化，使電池箱體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性更合理，質(zhì)量減輕了61.39%；陳球勝[37]用高強鋼和鋁合金對電池包箱體進行材料替換，并對箱體的厚度進行多目標(biāo)優(yōu)化，成功使箱體質(zhì)量減輕了25.5%；蘭鳳崇等[38]通過多材料并用和優(yōu)化流程的方法，利用試驗設(shè)計、模擬擬合和遺傳算法優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，使電池包箱體質(zhì)量減輕了47.3%。此外，湖南大學(xué)[39-41]也使用CAE技術(shù)對電池包箱體不同部位進行優(yōu)化，實現(xiàn)了不同程度的輕量化效果。

四、電池包箱體制造技術(shù)輕量化

制造技術(shù)是決定電池包箱體能否商業(yè)化的重要途徑，電池包箱體的一次成型技術(shù)和連接技術(shù)也是實現(xiàn)其輕量化的重要手段。從箱體的成型技術(shù)和連接技術(shù)兩方面進行優(yōu)化，在一定程度上也能減輕電池包的自重。?

4.1 電池包箱體成型技術(shù)

電池包箱體的成型技術(shù)主要根據(jù)其選用的材料決定，目前多以鋁板和纖維增強材料作為電池包箱體用材料，不同企業(yè)采用的成型技術(shù)也有所不同。鋁板主要的成型技術(shù)為沖壓鋁焊接、擠出鋁攪拌摩擦和鑄造等[42]。在不改變箱體強度的條件下，特斯拉Model 系列和寶馬i3 利用沖壓鋁焊接工藝，使箱體質(zhì)量減輕了40%；大眾Golf GTE 插電混動版和寶馬X5 電池包箱體都利用鑄造成型工藝制造而成。還有一些新的鋁合金成型技術(shù)，如上海交通大學(xué)開發(fā)的鋁合金大部件真空壓鑄技術(shù)[43]、北京有色金屬研究院的鋁合金半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)[44]，后者的成本只稍高于常規(guī)壓鑄，并能實現(xiàn)35%～48%的輕量化效果，在汽車零部件中的應(yīng)用十分廣泛，預(yù)計未來會成為電池包箱體的主要制造工藝。復(fù)合材料成型工藝眾多，如熱壓罐、樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）、真空導(dǎo)入、注射、擠壓和噴射等[45]。生產(chǎn)和制造過程中，可根據(jù)零部件特征、成本和選用的復(fù)合材料類型選擇最合適的制造工藝，目前常采用注射一次成型的方式生產(chǎn)纖維增強復(fù)合材料電池包箱體。碳纖維增強復(fù)合材料目前只在部分車型中使用，其材料和制造成本下降到一定程度后，碳纖維復(fù)合材料箱體將是未來新能源汽車電池包箱體的主流。

4.2 電池包箱體連接技術(shù)

目前電池包箱體由純金屬箱體向金屬-復(fù)合材料混合型箱體過渡，以異種材料的組合為主要形式。異種材料連接成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是抗疲勞性、耐腐蝕性和輕量化性較好，尤其是輕量化方面[46]。不同材料間的主要連接方式為膠接、機械連接和混合連接[47]。目前新能源汽車箱體以鋁材或混合材料為主，多以緊固件連接形式進行固定連接，鋁制箱體與車身的連接對穩(wěn)定性要求較高，主要用搭鐵螺栓、鉚接并配合加強筋進行連接。在電池包箱體自身連接技術(shù)上，國內(nèi)外學(xué)者也進行了研究。Schmerler 等[48]在不損傷纖維材料的情況下，利用膠接等方式對三明治結(jié)構(gòu)電池包箱體各部分實現(xiàn)了良好的連接。趙河林[49]利用鎢極惰性氣體保護（Tungsten Inert Gas，TIG）焊對某國產(chǎn)5052 鋁合金電池包箱體成功完成了密封焊接。徐治勤等[50]利用流鉆螺釘（Flow Drill Screw，F(xiàn)DS）工藝對某款鋁合金電池包箱體進行連接，實現(xiàn)了鋁合金箱體板材間的有效連接。李紅等[51]系統(tǒng)分析了國內(nèi)外電池包箱體連接技術(shù)研究成果，并提出了緊固件是目前電池包箱體連接的主要形式，對一些特定材料需采用激光焊接進行密封。異種材料間的連接需要根據(jù)其連接部位、剛強度要求有針對性地選擇適合的連接方式。對于電池包箱體與車身的連接形式，各企業(yè)采用的方法也不盡相同，目前國內(nèi)外研究成果較少。以碳纖維箱體為例，箱體與車身的連接處常使用金屬接頭，接頭與材料主體結(jié)構(gòu)層采用膠接輔助粘接，以混合連接的方式進行固定?！皺C械固定+膠接”混合連接的方式，也可以有效提高輕型構(gòu)件和車身結(jié)構(gòu)的疲勞強度、扭轉(zhuǎn)剛度和耐撞性，輕量化的同時使得連接具有良好的穩(wěn)定性[52]。中國的汽車相關(guān)企業(yè)在電池包箱體和車身的連接工藝上也申請了多項專利[53-54]。

五、動力電池包的標(biāo)準(zhǔn)和性能評價方法

電動汽車電池包的安全性越來越受到人們的重視，由于電池包的種類繁多，且電動汽車使用環(huán)境各異，國內(nèi)外動力電池包相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容也各有不同。目前，關(guān)于動力電池包的標(biāo)準(zhǔn)主要由歐盟、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、中國、美國和德國等制定[55]。安全性是制約電池包應(yīng)用的關(guān)鍵因素，各國的標(biāo)準(zhǔn)在安全性評價方法方面都有明確的規(guī)定[56-62]，評價的主要內(nèi)容圍繞機械安全（振動、沖擊和跌落等）、環(huán)境安全（熱沖擊和熱穩(wěn)定性）和電氣安全（短路和過充放電）3 個方面[63]。中國在2015年相繼制定了6項動力電池新標(biāo)準(zhǔn)，其中有3項標(biāo)準(zhǔn)（GB∕T 31484、GB∕T 31485和GB∕T 31486）不再局限于鋰離子電池，而是包含了所有動力電池包的類型[64]。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對電池包安全性測試的內(nèi)容如表4所示。表4 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對電池安全性測試的差異[65]注：“√”表示涉及該測試內(nèi)容；“×”表示未涉及該測試內(nèi)容。由表4可以看出，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在測試內(nèi)容和覆蓋范圍方面均有所不同，評測的主要對象以電池單體、電池模塊和電池包系統(tǒng)為主。在安全性測試方面，中國標(biāo)準(zhǔn)GB∕T 31467.3—2015 增加了鹽霧和低氣壓測試碰撞測試，中國標(biāo)準(zhǔn)在環(huán)境安全性檢測評價的內(nèi)容上要多于國外標(biāo)準(zhǔn)，而歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC 62660.3:2016 和美國標(biāo)準(zhǔn)UL 2580-2013 在熱穩(wěn)定性方面則有詳細說明，特別地，在溫升測試中，美國標(biāo)準(zhǔn)UL 2580-2013 還針對電池包外殼和關(guān)鍵零部件對溫度的耐受力進行了測試，并對電池包外殼體表面開口的設(shè)計規(guī)范進行了說明，其他標(biāo)準(zhǔn)則沒有相關(guān)規(guī)定。此外，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在動力電池包的性能評價上側(cè)重點各有不同，且都沒有提出電池包安全時效性的性能評價方法，故需結(jié)合電池應(yīng)用情況，制定電池包全周期性能評價體系，以滿足電動汽車電池包不斷發(fā)展的需求。

六、結(jié)束語

綜合國內(nèi)外電池包箱體所用材料和結(jié)構(gòu)來看，在材料的選擇上：若選擇金屬作為箱體材料，制造工藝非一次成型，需要進行后續(xù)焊接加固等步驟，增加了電池包的質(zhì)量；若選擇復(fù)合材料，則需要平衡電池包箱體的制造成本、剛強度和疲勞耐久等性能。目前電池包箱體主要以鋁合金下箱體和SMC 復(fù)合材料上蓋為主，混合材料箱體結(jié)構(gòu)將是主要的發(fā)展趨勢。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，電池包箱體需考慮空間、密封、散熱和碰撞安全性能等因素，同時需要保證電池包箱體上、下結(jié)構(gòu)連接和整個箱體與車身連接的可靠性，綜合車身-底盤電池包結(jié)構(gòu)一體化和電池包箱體輕量化所用材料將是兩大重要的輕量化發(fā)展方向。此外，電池包的性能測試評價的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)增加整車級別和全生命周期的綜合性驗證。

一 END 一

來源：汽車技術(shù)