鋼鈑金電池包箱體的研發(fā)路線

文/吳中旺，劉暢，胡劍鋒·清華大學(xué)蘇州汽車研究院

本文從國家補(bǔ)貼政策和新能源汽車市場分析開始，詳細(xì)分析了國家補(bǔ)貼政策和新能源汽車市場現(xiàn)狀，總結(jié)出不同類型電池包箱體的優(yōu)缺點(diǎn)，指出鋼鈑金電池包箱體可能會是未來發(fā)展方向，在此基礎(chǔ)上闡述了清華大學(xué)蘇州汽車研究院在電池包箱體開發(fā)上的技術(shù)路線。

隨著世界石化能源的逐漸消耗以及環(huán)境保護(hù)的緊迫性不斷提升，發(fā)達(dá)國家對汽車行業(yè)率先提出停止銷售燃油乘用車的時(shí)間點(diǎn)，中國官方也逐漸提出乘用車發(fā)展政策，同時(shí)對新能源汽車和動力電池包補(bǔ)貼政策不斷修訂，以促進(jìn)我國新能源汽車快速發(fā)展，如2016 年12 月，國家首次提出以電池能量密度為一項(xiàng)參考指標(biāo)；2018年新能源汽車補(bǔ)貼政策進(jìn)一步調(diào)整了補(bǔ)貼額度、撥付方式以及補(bǔ)貼門檻等。近幾年新能源汽車補(bǔ)貼政策對比，見表1、表2。

在不斷的補(bǔ)貼政策和資本市場的刺激下，我國新能源乘用車銷量不斷攀升，乘聯(lián)會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)公布了2019 年上半年國內(nèi)新能源汽車銷量top10。從數(shù)據(jù)中我們可以得出：(1）前10 銷量車型價(jià)位都是控制在普通工薪階層可以接受的范圍內(nèi)；(2）所有的生產(chǎn)廠家都是傳統(tǒng)造車企業(yè)，沒有造車新勢力企業(yè)上榜；(3）概括Top10 銷量車型，新能源汽車的銷量增加快速，只有個別車型銷量減少。

新能源汽車動力電池的安全性

從當(dāng)前新能源汽車發(fā)展情形來看，整車?yán)m(xù)航、汽車安全、成本控制、輕量化、智能化等都直接影響著客戶對新能源車的認(rèn)可度，但汽車安全和成本控制將會是兩個最為重要的因素。從銷量前10 的車型分析中了解到，銷量大的車型價(jià)格相對較低，同時(shí)也意味著這些車型對動力電池包成本的敏感性較高，如何要保證動力電池的安全性和經(jīng)濟(jì)性，將是整車企業(yè)和動力電池包企業(yè)面臨的重大問題。

目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的電池包箱體有：鋁型材攪拌摩擦焊電池箱、鑄鋁電池箱、鋁板材電池箱、SMC電池箱、碳纖維電池箱和鋼鈑金電池箱。鋁型材電池箱體模具簡單、價(jià)格便宜，開模時(shí)間短，但是材料成本高，制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，適用于小批量生產(chǎn)；鋼鈑金電池包箱體模具復(fù)雜、價(jià)格高，開模時(shí)間長，但是材料成本低，制造工藝簡單，生產(chǎn)效率高，適用于大批量生產(chǎn)。

電池包箱體的結(jié)構(gòu)輕量化和安全設(shè)計(jì)需要有準(zhǔn)確的電池包結(jié)構(gòu)件的材料力學(xué)數(shù)據(jù)和單體等效模型的支持。清華大學(xué)蘇州汽車研究院利用高速拉伸設(shè)備、萬能試驗(yàn)機(jī)和落槌試驗(yàn)機(jī)等，通過對電池包模組的拆解和測試（圖1），獲得各組分材料的力學(xué)參數(shù)；通過對卷芯和單體的穿孔、擠壓等試驗(yàn)獲得卷芯的力學(xué)模型，并監(jiān)測單體電壓和位移侵入量之間的關(guān)系，以此獲得單體失效的判斷依據(jù)和單體的仿真對標(biāo)信息。在此基礎(chǔ)上，我們團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證和對標(biāo)了單體擠壓試驗(yàn)、單體精細(xì)化模型和單體等效模型，如圖2 所示，從圖2中可以看出單體侵入量在10.9mm 之前，仿真和試驗(yàn)對比的非常準(zhǔn)確，誤差較小，等效模型相對試驗(yàn)和精細(xì)化模型的剛度略大。

表1 2017 ～2019 年新能源乘用車補(bǔ)貼金額對比

表2 純電動乘用車動力電池能量密度要求

圖1 電池模組拆解圖

圖2 等效模型、精細(xì)化模型和試驗(yàn)對標(biāo)結(jié)果

表3 行業(yè)推薦的12h 電池包振動標(biāo)準(zhǔn)

電池包國標(biāo)和非標(biāo)仿真分析

電池包國標(biāo)分析

有了準(zhǔn)確的電池包單體等效模型，大大提高整包的仿真精度，并且通過電池單體和模組的試驗(yàn)獲得了電池失效損傷容限，從而能更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)電池包箱體開發(fā)設(shè)計(jì)。電池包國標(biāo)分析主要按照GB/T31467.3-2015 的要求進(jìn)行仿真分析，分析工況包括模擬碰撞、沖擊、擠壓和振動。后期根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)提出的第1 號修改單，降低擠壓和振動的要求。在電池包安全方面，電池包振動是行業(yè)最為關(guān)注的失效工況，表3 為行業(yè)推薦的電池包振動標(biāo)準(zhǔn)。目前我們在電池包仿真時(shí)既會考慮第1 號修改單又會根據(jù)客戶要求進(jìn)行更苛刻的工況仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)也在積極考慮電池包仿真和試驗(yàn)對標(biāo)分析，試驗(yàn)包括從簡單的下箱體振動試驗(yàn)到整包試驗(yàn)，同時(shí)采用Edaq 設(shè)備采集箱體加速度和應(yīng)力。

電池包非標(biāo)分析

國標(biāo)規(guī)定的工況在實(shí)際電池包開發(fā)中是完全不夠的，還需要引入非標(biāo)工況的分析方案，包括電池包自由模態(tài)分析、約束模態(tài)分析、彎曲剛度分析、扭轉(zhuǎn)剛度分析等，同時(shí)類比與整車開發(fā)過程中的不同工況作用下的強(qiáng)度分析，電池包也進(jìn)行不同工況的強(qiáng)度分析；隨著電池包失效形式逐漸體現(xiàn)，電池包球擊分析被提為很重要的分析工況。

表4 電池包球擊對比分析表

目前行業(yè)對電池包球擊分析還沒有統(tǒng)一的分析方案，清華大學(xué)蘇州汽車研究院就電池包球擊分析包括以下內(nèi)容：其中約束條件為電池包安裝支架6 個方向自由度；邊界條件為直徑50mm 的球施加不同初始速度，垂直于電池包底部中心位置及受損處；球的質(zhì)量為176g；評判方法為電池包底板侵入量和所受應(yīng)力，塑性應(yīng)變和能量吸收值僅為方案比較提供參考，其中能量吸收值取電池包底板侵入量為2mm 時(shí)段的最大值，即底板接觸模組之前的能量吸收值。

對三種材料電池包模型球擊仿真分析對比，球擊速度分別為13.89 m/s和17.78m/s，分析結(jié)果見表4，鑄鋁和鋁型材電池包最大侵入量相對較小，鋼鈑金電池包較大，這也是為什么很多鋼鈑金電池包下部都增加一個防護(hù)的原因；鋼鈑金電池包應(yīng)力相對鑄鋁和鋁型材電池包略大，但在安全范圍內(nèi)。

結(jié)束語

我國新能源汽車動力電池包技術(shù)在最近幾年快速發(fā)展，電池包開發(fā)技術(shù)不斷提高，同時(shí)行業(yè)呈現(xiàn)出的電池包種類繁多，電池包分析技術(shù)也是每家企業(yè)參差不齊，總體而言，電池包箱體技術(shù)開發(fā)路線為：電芯模型或單體模型開發(fā)、材料力學(xué)數(shù)據(jù)庫積累、電池包箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、國標(biāo)有限元仿真優(yōu)化、非標(biāo)仿真優(yōu)化分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。