淺析純電動汽車的動力電池包輕量化

史本鵬

（天津科斯特汽車技術(shù)有限責(zé)任公司 301709)

1 純電動汽車的基本結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)汽車相比，純電動汽車在車身、底盤、內(nèi)飾、外飾與車載電器的技術(shù)上并無太大區(qū)別。新技術(shù)突破主要在于車身與底盤的輕量化設(shè)計(jì)、動力電池和動力系統(tǒng)的布置、智能化和高科技電子技術(shù)的應(yīng)用等。

純電動汽車的動力源一般都是驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)通過電機(jī)控制器精確控制輸出電流，而電機(jī)具備較寬的扭矩范圍。因此，現(xiàn)階段大多數(shù)的純電動汽車，只使用單級減速器加差速器就能達(dá)到動力輸出要求。車載動力電池包等同于傳統(tǒng)車的油箱，是純電動汽車的能量來源。如下圖1所示的是電動汽車基本結(jié)構(gòu)，圖2是電動汽車能量傳遞路徑。

2 車載動力電池包輕量化技術(shù)

純電動汽車使用的車載動力電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池與燃料電池。鑒于現(xiàn)階段國家新能源汽車法規(guī)、動力電池行業(yè)水平和終端市場選擇等原因，國內(nèi)的純電動汽車多選用鋰離子動力電池作為能量源。其中純電動高速小型乘用車多采用三元錳鋰動力電池，而商用大客車多采用磷酸鐵鋰動力電池。本文主要針對純電動高速小型乘用車的車載動力電池系統(tǒng)，著重討論動力電池包的輕量化設(shè)計(jì)。

2.1 模組架輕量化

動力電池模組架是指動力電池包內(nèi)部的單體動力電池固定安裝的支架系統(tǒng)（圖3）?，F(xiàn)在大多數(shù)的商用鋰離子動力電池包都采用了模組架結(jié)構(gòu)，一般是6只電芯或12只電芯預(yù)裝在1個模組架內(nèi)，每6只電芯配1個采樣板，多個模組串聯(lián)后再并聯(lián)，配以BMS、接插件和保險元件，組成整個動力電池包系統(tǒng)。模組架的材料從原來的鈑金焊接結(jié)構(gòu)和鈑金沖壓結(jié)構(gòu)，一直發(fā)展到現(xiàn)在的注塑框架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量大為減輕，安裝也變得非常簡單和標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 熱管理系統(tǒng)輕量化

純電動高速小型乘用車的熱管理系統(tǒng)一般分為加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)2大類。

圖2 電動汽車能量傳遞路徑

圖3 動力電池模組架

冷卻系統(tǒng)一般分為液體冷卻系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)和直接傳導(dǎo)系統(tǒng)3大類。因?yàn)楝F(xiàn)在的鋰離子動力電池在慢充和車輛一般運(yùn)行時，溫升現(xiàn)象一般在10℃以內(nèi)，出于成本和空間布局考慮，一般不采取溫度控制措施。在汽車長時間急加速和高速工況或快充電時，動力電池系統(tǒng)溫升較大，最多可到20℃左右，但只要有良好導(dǎo)體進(jìn)行傳導(dǎo)散熱，溫升也可控制。因此冷卻系統(tǒng)在小型乘用車領(lǐng)域應(yīng)用不多[1]。

加熱系統(tǒng)一般在北方冬季充電和冷起動情況下使用，對動力電池包進(jìn)行保溫，甚至是預(yù)熱。鋰電池的低溫充放電性能非常不好，尤其在-5℃以下時，動力電池輸出的有效容量大幅縮減，有的動力電池廠商甚至禁止在此環(huán)境下充電。在低溫下，因?yàn)閯恿﹄姵亟M的放電性能變差，導(dǎo)致車輛的運(yùn)行里程大幅縮短。所以在北方寒冷地區(qū)，為了使動力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地使用，動力電池包一般都需具備預(yù)加熱和保溫系統(tǒng)。

比較常見的預(yù)加熱形式有動力電池組電熱膜包覆、整車存放于溫暖房間充電、外來電源預(yù)先加熱和自身電源預(yù)先加熱等。保溫系統(tǒng)形式有動力電池模組保溫層、動力電池包外包覆保溫層等。因?yàn)榧訜嵯到y(tǒng)和保溫系統(tǒng)占據(jù)了動力電池包的空間，導(dǎo)致動力電池包能量密度降低；外來加熱和整車溫暖環(huán)境給整車使用帶來較大不便；自身電源加熱導(dǎo)致耗費(fèi)大量電能，續(xù)航里程縮短。這也正是北方寒冷地區(qū)難以推廣純電動汽車的一個重要原因[2]。

因此，現(xiàn)階段熱管理系統(tǒng)的輕量化，主要是在成本可行的前提下，盡量簡化系統(tǒng)，減輕質(zhì)量。例如限定純電動汽車使用區(qū)域，簡化甚至去除加熱系統(tǒng)，而冷卻形式一般采用金屬導(dǎo)體熱傳導(dǎo)方式。鋼板材料和鋁合金材料是優(yōu)良的導(dǎo)體，鑒于鋁材質(zhì)量更輕，所以現(xiàn)階段大多數(shù)動力電池包的下盒體都采用鋁合金材料，比如鑄鋁結(jié)構(gòu)和型材鋁焊接結(jié)構(gòu)，都起到了良好的冷卻效果。

2.3 電池包殼體輕量化

2.3.1 電池包殼體一般要求

易于制造，方便維護(hù)；在車輛發(fā)生碰撞或動力電池自燃情況下，需防止液體、煙、火和氣體進(jìn)入駕駛艙內(nèi)；動力電池包需給熔絲、線束、傳感器及插接器留有足夠的安裝和安全空間；動力電池包防護(hù)等級需達(dá)到IP67，行駛試驗(yàn)后，防護(hù)等級不得低于IP55；人員觸電防護(hù)應(yīng)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2 動力電池包殼體選材

傳統(tǒng)純電動乘用車的動力電池包殼體一般都是鋼板焊接或是鈑金沖壓成型，然后對底部裸露面進(jìn)行涂裝，噴涂防石擊膠。優(yōu)點(diǎn)是防護(hù)性能好、散熱性能好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高以及易于大批量生產(chǎn)，缺點(diǎn)是質(zhì)量大。

鋁合金材料是替代鋼板的首選材料，優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、散熱性能好以及耐腐蝕性能好。動力電池包結(jié)構(gòu)有鑄鋁結(jié)構(gòu)和型材焊接結(jié)構(gòu)2種。鑄鋁結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是壁厚大，機(jī)加工量大，質(zhì)量減輕不明顯。型材焊接結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、機(jī)加工量小、型材適應(yīng)性好和強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是型材焊接性差、焊接強(qiáng)度有減弱現(xiàn)象及焊接變形大等。但現(xiàn)在先進(jìn)焊接技術(shù)的興起，摩擦焊、超聲波焊接等技術(shù)的出現(xiàn)，解決了鋁型材焊接的問題，鋁型材動力電池包應(yīng)用也越來越廣泛[3]。

近年來，玻璃纖維增強(qiáng)材料、塑料注塑、SMC模壓及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等多種非金屬復(fù)合材料都應(yīng)用到了動力電池包制造中。尤其是玻璃纖維增強(qiáng)材料和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，因質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高和耐腐蝕性好而越來越得到重視。相比較鋁合金材料，非金屬復(fù)合材料在相同體積和強(qiáng)度條件下，可減輕30%～50%的質(zhì)量。但由于這2種非金屬復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能較差、高速尖銳沖擊易破壞，因此這2種材料多用在動力電池包上蓋的制造上[4]。

3 結(jié)束語

純電動小型高速乘用車的動力電池包，在保證電氣安全、碰撞安全及性能要求的前提下，通過材料選擇、輕量化設(shè)計(jì)與輕量化制造，降低了整個動力電池包的質(zhì)量。主要輕量化途徑有以下4種：標(biāo)準(zhǔn)化注塑模組架；簡化熱管理系統(tǒng)；鋁型材焊接動力電池包下盒體；碳纖維、玻璃纖維增強(qiáng)材料動力電池包上蓋。