新能源汽車電池包箱體的輕量化發展

作者： 司福建 時紅海 吳中旺 劉暢 賴興華

清華大學蘇州汽車研究院

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，對於傳統燃油汽車，汽車整備質量每減輕10%，可降低油耗6%～8%，排放下降3%～4%；對於新能源純電動汽車，汽車整備質量每減少10%，電耗下降5.5%，續航里程增加5.5%。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。

輕量化並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並保證製造成本在合理範圍內，以做到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，同時政策對於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的發展及新型連接技術的應用進行綜述，旨在對輕量化設計和製造提供有益借鑒。

電池包箱體的輕量化發展

傳統電池包箱體一般採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。

輕量化材料的應用

電池箱輕量化材料應用主要包括鋁合金材料、高強鋼材料和復合材料的應用等，目前鋁合金替代傳統低碳鋼在電池箱上得到了大範圍的應用，鋁合金箱體成為電池箱體發展的一個重要方向。

鋁是最常用的金屬材料之一，同時也是地殼中分布最廣、儲存量最多的元素之一，占地殼質量的8.13%。鋁合金密度小，約為鋼密度的1/3，用鋁合金代替鋼鐵可顯著降低箱體質量，且鋁合金表面形成的一層致密而穩定的氧化膜，使得其具有良好的耐腐蝕性，故鋁合金材料是一種優異的電池箱輕量化材料。目前鋁合金電池包箱體主要有鋁型材箱體和鑄鋁箱體兩種形式，其中鋁型材箱體由於尺寸設計範圍大、模具開發成本低、材料性能優越等優點獲得了大量的關注。

高強鋼強度大幅提高，可做到箱體的薄壁化設計，做到輕量化，且高強鋼相對於其他材料具有成本優勢，通過高強鋼替代傳統低碳鋼用於箱體製造是電池包箱體輕量化發展的一個重要方向；復合材料具有輕質高強等優良性能，在動力電池包輕量化方面發揮著越來越重要的作用。熱塑性復合材料具有可重復使用、成本低、成型快等特點，是電池包箱體製造的理想材料。熱塑性復合材料的成型，如註塑成型、LFT-D在線模壓成型、GMT模壓成型等，均可用於電池包的成型。電池箱上蓋採用熱固性復合材料成型，如SMC、BMC等，已廣泛應用於電池包生產。碳纖維復合材料的高成本是限制其在汽車行業應用的主要問題，研發汽車專用高模量低成本碳纖維是目前的研究重點。研發快速固化樹脂與預浸料，提高成型節拍是降低碳纖維復合材料成本的主要措施。隨著復合材料的成本逐步降低，未來復合材料有望做到在電池包箱體上的大規模應用。

此外，多材料輕量化動力電池包設計開發是未來發展趨勢之一。在不同部位應用不同特性的輕量化材料，以得到最優性能的箱體結構設計同時減小質量和成本。針對混合材料電池箱體結構，結構創新設計和異種材料連接技術是關鍵。

輕量化結構設計

電池箱輕量化不僅涉及輕量化材料的應用，而且與箱體結構的合理設計密切相關，優化箱體結構設計也是做到汽車輕量化的一個重要途徑。通過CAD/CAE/CAM一體化技術對電池箱總體結構進行分析和優化，做到箱體零部件的精簡、整體化和輕量化，已成為電池箱體開發中主要的設計方法。

利用CAD/CAE/CAM一體化技術準確做到電池箱體實體結構設計和布局設計, 對各構件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析, 並可從數據庫中提取由系統直接生成的有關該箱體的相關數據進行工程分析和剛度、強度計算。對於採用輕質材料的零部件, 還可以進行布局進一步分析, 使輕量化材料能夠滿足箱體設計的各項要求。

電池包箱體輕量化設計方法主要有拓撲優化、形貌優化、形狀優化和尺寸優化等。在箱體前期設計過程中即概念設計階段一般採用拓撲、形貌和自由尺寸的優化手段；在結構設計後期，對具體的技術要求，需要詳細設計時更多的採用尺寸優化、形狀和自由形狀優化技術，以達到具體的設計要求。如某鑄鋁電池包箱體的拓撲分析，支架安裝位置全約束，模擬電池包實際安裝情況，同時以國標擠壓工況受力分析為邊界；設計響應為電池包的應變能和質量；目標為質量最小；約束為體積減少為初始的80%。經過多次迭代獲得電池包相對密度雲圖，如圖4所示，紅色區域為密度接近1的部分，對設計目標的貢獻較大，是必須要保留的或者是要加強的區域。藍色部分的相對密度較低，對設計目標的貢獻小，是我們做輕量化重要的減重途徑。當然拓撲優化後的結果，還必須考慮工程工藝的可行性，綜合考慮箱體的減重方案設施。

電池包安全性需考慮熱管理，其不僅對電池的循環壽命、工作溫度起著重要影響，對於電池包整體輕量化能量密度的提高也非常重要。

在電池包現有的熱管理輕量化上，冷板結構採用較多的是釬焊工藝和吹脹工藝，如口琴管、沖壓板、吹脹板等。針對此類冷板結構，要單獨放在電池箱體上，利用CFD仿真技術和參數化優化設計，對冷板流道進行優化設計，保證電池的散熱性。同時結合流固耦合仿真對冷板的結構進行輕量化設計，保證冷板結構強度。此外，將熱管理系統集成於箱體結構中是目前做到整體結構輕量化研究和探討的方向，該方法在下箱體內嵌入流道，或利用擠壓型材布置流道，利用CFD、參數優化設計以及流固耦合的方法，來對內部流道以及結構進行優化。這種結構不僅可以直接承受模組的重量，同時做到了電池包整體的輕量化，也避免了單獨冷板在惡劣工況下的泄露。