新能源汽車(chē)電池包箱體結(jié)構(gòu)的輕量化研究現(xiàn)狀

崔欣瑤 梁廣振

摘 要：在發(fā)電和充電技術(shù)支持下，新能源電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)運(yùn)而生，新能源電動(dòng)汽車(chē)不僅具備傳統(tǒng)汽車(chē)功能，同時(shí)也可以保證綠色的生態(tài)環(huán)境，新能源汽車(chē)只需借助電能，即可驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。相較于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)新能源汽車(chē)有很大的不同，其主要是由電力驅(qū)動(dòng)以及控制系統(tǒng)所構(gòu)成，以車(chē)載電源作為行車(chē)動(dòng)力，具有無(wú)污染無(wú)噪音、能源效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于維修等優(yōu)勢(shì)，因而，開(kāi)展新能源電動(dòng)汽車(chē)充電模式和設(shè)施建設(shè)研究勢(shì)在必行。

關(guān)鍵詞：電池包箱體;下殼體;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);輕量化

引言

鋰電池因其具有能量密度高、循環(huán)的壽命高、沒(méi)有記憶效應(yīng)、能快速充電優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用在新能源汽車(chē)上。為了能夠保證電池的安全性和汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程的高效可靠性，故障診斷技術(shù)對(duì)于防止電池出現(xiàn)重大性的故障具有十分重要的作用。

1新能源汽車(chē)的分類

新能源汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)的主要差別在于動(dòng)力源。傳統(tǒng)汽車(chē)主要依靠燃燒化石燃料提供動(dòng)力。新能源汽車(chē)可分為純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)。純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）不需要其他動(dòng)力裝置，可以完全由可充電電池提供動(dòng)力的，沒(méi)有尾氣排放，對(duì)于環(huán)境保護(hù)較好;混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）是擁有2個(gè)或2個(gè)以上動(dòng)力源的汽車(chē)，不完全依靠可充電池提供動(dòng)力，會(huì)對(duì)環(huán)境有一定的影響，但相比于傳統(tǒng)汽車(chē)節(jié)能效果更好，排放較小;燃料電池汽車(chē)（FCEV）主要依靠燃料電池提供動(dòng)力，對(duì)環(huán)境污染較小。

2電池包箱體材料輕量化研究進(jìn)展

2.1 材料的選定

在電池殼結(jié)構(gòu)中，模塊的箱體下部和安裝板是主要載體，對(duì)于復(fù)合材料的輕量化設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)探索，原不銹鋼材料被300gsm型碳纖維復(fù)合材料取代，T700級(jí)碳纖維布， 并且此類碳纖維的抗拉強(qiáng)度可大于3.5GPa，上部箱體主要起到密封作用，考慮到實(shí)際成本問(wèn)題，仍使用DC01。 碳纖維復(fù)合材料是正交形的，應(yīng)用于汽車(chē)結(jié)構(gòu)可能會(huì)大大降低汽車(chē)的質(zhì)量，但其機(jī)械參數(shù)受到許多因素的影響，如加工工藝、絲束規(guī)格等。為了研究碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，在干燥的環(huán)境溫度試驗(yàn)環(huán)境中檢測(cè)到了拉伸0、拉伸90、壓縮0、壓縮90、面內(nèi)剪切、三點(diǎn)彎曲和層間剪切強(qiáng)度等7種元素.

2.2電池盒體復(fù)合材料

電池箱體中使用的復(fù)合材料主要是輕材料，如碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和SMC復(fù)合材料。例如，baummer等人成功地用泡沫鋁質(zhì)復(fù)合三明治制造了一個(gè)能夠重現(xiàn)20 kbit的低容量電池片，從而使低容量電池片的質(zhì)量降低了10%至20 %。Choi等人[9]通過(guò)改變碳纖維和玻璃纖維的含量（摻雜纖維總量不超過(guò)40%）并滿足強(qiáng)度、沖擊等條件，成功地研制出了比普通鋼低31%的強(qiáng)化塑料外殼。，從尼龍6（PA6）開(kāi)始。毛澤東等人與一汽汽車(chē)共同開(kāi)發(fā)碳纖維電池盒體，成功地將盒體質(zhì)量從110公斤降至19公斤。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有密度低、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于電池盒體[11-13]。德國(guó)信通技術(shù)化學(xué)研究所開(kāi)發(fā)了一個(gè)聚氨酯熱硬化塑料電池盒，其質(zhì)量為35公斤，可運(yùn)載340公斤電池，比同等重量的鋼減少35%以上。邵明屋頂?shù)萚15]以玻璃纖維連續(xù)織物為基材料，以環(huán)氧乙烷樹(shù)脂玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為基材料，采用預(yù)浸料壓力成型工藝制造，定量效果也較輕.

3電池包箱體結(jié)構(gòu)輕量化研究

3.1氣壓平衡部件與電池箱體的安裝界面密封性設(shè)計(jì)

在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于溫度、海拔等的變化，可能會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)和室外壓力的差異。并且防水辦公表面能承受的壓力是肯定的。當(dāng)內(nèi)外壓力差超過(guò)限值時(shí)，密封接口會(huì)惡化，導(dǎo)致IP67保護(hù)失敗。為了解決這一問(wèn)題，通常需要在電池包裝上安裝壓力平衡元件，例如氣霧閥或防爆閥。如果壓力平衡零件和電池盒體之間的密封設(shè)計(jì)不當(dāng)，也容易成為整個(gè)電池盒的密封失效位置。蓄電池箱上箱體空氣閥的緊固螺母采用凸平臺(tái)點(diǎn)焊螺母的方法。將氣閥固定螺母焊接到蓄電池箱體上后，螺母的焊接面與蓄電池箱上的箱體包租，有效保證閥固定螺母與上部箱體壁對(duì)接，保證.

3.2鋪層設(shè)計(jì)

由于碳纖維復(fù)合材料是正交各向異性的，因此在設(shè)計(jì)涂層時(shí)，必須注意涂層的順序和方向，而且由于復(fù)合材料的設(shè)計(jì)良好，結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)不僅能反映復(fù)合材料的優(yōu)良力學(xué)性能，而且能達(dá)到最大限度為了提高碳纖維結(jié)構(gòu)的制造能力，設(shè)計(jì)如下：首先出現(xiàn)+45層和-45層對(duì);其次，同一角度的鋪裝層不會(huì)連續(xù)出現(xiàn)兩次以上。

3.3高低壓連接器與電池盒體之間安裝接口的密封設(shè)計(jì)

在蓄電池組密封設(shè)計(jì)中，大多數(shù)蓄電池車(chē)輛采用普通點(diǎn)焊螺母為蓄電池組高壓連接器和蓄電池組體安裝螺母，安裝接口的密封效率損失也很高， 因此要注重高壓連接器與蓄電池箱體固定之間的密封性，蓄電池箱體壁面平整度要求很高。為了保證低壓連接器與蓄電池箱體固定位置之間的密封性， 緊固點(diǎn)螺母可使用盲接觸焊接螺母，并將法蘭表面直接焊接到電池盒體壁上，以確保插卡接觸焊接螺母和電池盒下的盒體壁孔完全融合在一起， 從而有效保證此處的密封性，提高插卡固定螺母與下部箱體生產(chǎn)之間的一致性。

3.4連接模式

在連接模式下，傳統(tǒng)電池盒在上部電池盒的連接部分和汽車(chē)底盤(pán)的連接部分上安裝了螺釘組件。介紹了碳纖維復(fù)合材料后，為了保證復(fù)合材料的完整性和異質(zhì)材料的連接問(wèn)題，選擇了粘接方法。橡膠接頭可以提高粘接部分的密封性和耐蝕性，粘接層上的應(yīng)力分布與傳統(tǒng)連接方法相比比較均勻，連接位置的疲勞強(qiáng)度也有所提高。

3.5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(qiáng)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。在不改變箱體強(qiáng)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GolfGTE插電混動(dòng)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(kāi)發(fā)的鋁合金大部件真空壓鑄技術(shù)、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(shí)現(xiàn)35%～48%的輕量化效果，在汽車(chē)零部件中的應(yīng)用十分廣泛，預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)成為電池包箱體的主要制造工藝。

3.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋰電池需要采集的數(shù)據(jù)有：電壓（V/V）、電流（I/A）、溫度（T/℃）。本文測(cè)量單節(jié)電池的放電電壓，電壓從3.9V左右經(jīng)過(guò)100min的時(shí)間降到3.2V左右。利用ACS71205B電流傳感器模塊進(jìn)行電流的測(cè)量，可以測(cè)量5A的電流，他所對(duì)應(yīng)的模擬量的輸出時(shí)185mv/A。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代能源緊缺的情況下，新能源電動(dòng)汽車(chē)的高速發(fā)展在這種情況下是必然的情況，新能源電動(dòng)汽車(chē)的推動(dòng)不僅有利于構(gòu)建我國(guó)綠色生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也可以減少不可再生資源的浪費(fèi)。同樣想要加速對(duì)新能源汽車(chē)的研究與推廣，就必須要對(duì)新能源汽車(chē)的充電樁進(jìn)行大力的推廣，避免出現(xiàn)無(wú)處充電現(xiàn)象的發(fā)生，達(dá)成雙方共贏的局面，實(shí)現(xiàn)我國(guó)新能源汽車(chē)推進(jìn)的最終目的。

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