動(dòng)力電池箱體輕量化技術(shù)綜述

張 驍

（西安比亞迪汽車有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，節(jié)能與新能源將會(huì)成為汽車行業(yè)的主流。而國家對智能化技術(shù)的發(fā)展給予強(qiáng)有力的支持［1］。目前，很多國家與地區(qū)都出臺(tái)了不少促進(jìn)新能源汽車發(fā)展的政策。2018年，在中國工信部印發(fā)的關(guān)于新能源汽車政策中，與以往相比，新的補(bǔ)貼方案比之前減少了大約20%，但新推出的補(bǔ)貼方案對電池能量密度較高、續(xù)航性能更佳、耗能更低的車型給予更多鼓勵(lì)，激勵(lì)整車廠在續(xù)航更強(qiáng)、能量密度更高的電池系統(tǒng)方面加大投入，降低能耗，減少汽車碳排放，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，在給予人們更好體驗(yàn)的同時(shí)，也能降低電池的使用成本。由此可見，對純電動(dòng)汽車輕量化研究有著十分重要的意義，這是目前汽車領(lǐng)域的關(guān)鍵性研究課題。

1 動(dòng)力電池箱體概述

通過對新能源汽車與傳統(tǒng)燃油汽車進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)新能源汽車在技術(shù)方面的要求較高［2］。通過與國外新能源汽車進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)中國電動(dòng)商用車總體上增重15%～30%。根據(jù)電動(dòng)乘用車的增重來看，增重為10%～15%，總體水平較低。所以，有必要對其進(jìn)行輕量化研究。所謂的輕量化是指在確保剛強(qiáng)度、模態(tài)、安全性能的前提下，用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法在降低汽車重量（即達(dá)到輕量化目標(biāo)）的同時(shí)，盡可能保持汽車性能、減重和降低成本的相對平衡［3］。

在電動(dòng)汽車構(gòu)成中，動(dòng)力電池系統(tǒng)的重量在整車中占比不低于30%。動(dòng)力電池過重的話，會(huì)影響電動(dòng)車的續(xù)航能力。在節(jié)能和新能源汽車技術(shù)路線圖中提出，截至2035年，純電動(dòng)乘用車輕量化系數(shù)總體上將會(huì)下降到35%。通過車輛輕量化系數(shù)等指標(biāo)對整車輕量化進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)判。對動(dòng)力電池系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量最大的是電芯本體，其次是電池箱體［4］。因此，電池箱體輕量化也成為純電動(dòng)汽車近年來的研究熱點(diǎn)。

在對特斯拉Modal 3動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行解體，并對各質(zhì)量部件質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：在總箱體中，電池箱體的質(zhì)量占總體比重的9.5%（見圖1）。

圖1 特斯拉Modal 3電池包各部件質(zhì)量占比

在動(dòng)力電池中，電池箱體是除電芯以外的核心部件［5］，同時(shí)也是電動(dòng)汽車高定制化必不可少的零部件之一。從當(dāng)前純電動(dòng)汽車來看，基本上是將傳統(tǒng)汽車平臺(tái)作為基礎(chǔ)，把動(dòng)力電池箱當(dāng)作一個(gè)相對獨(dú)立的個(gè)體，將其裝到汽車底盤上，再通過IP67級(jí)別的密封膠墊對中間結(jié)合面進(jìn)行密封。

2 動(dòng)力電池系統(tǒng)輕量化現(xiàn)狀

通過對傳統(tǒng)燃油汽車與電動(dòng)汽車進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車具備電池、電機(jī)、電控三大核心電系統(tǒng)［6］。從總體上來看，動(dòng)力電池箱體在整車整備質(zhì)量中占比為18%～30%，且動(dòng)力電池箱體的質(zhì)量與電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程之間成正比關(guān)系（見圖2）。由圖2可知，雪佛蘭Bolt、特斯拉Modal 3等的續(xù)航里程都比較大，其動(dòng)力電池箱體的質(zhì)量占比在26%以上。由此可見，做好對電動(dòng)汽車動(dòng)力電池輕量化研究的意義重大。

圖2 部分主流車型整體整車質(zhì)量、電池組質(zhì)量及其占比

從目前來看，動(dòng)力箱體輕量化研究被各大車企所重視，在高強(qiáng)鋼、鋁合金等輕量化材料和技術(shù)工藝方面有著較為深入的研究、發(fā)展和應(yīng)用。由于動(dòng)力電池箱體的質(zhì)量占比相對較高，各車企更加重視對新能源汽車動(dòng)力電池箱體的輕量化研究。例如，Nissan Leaf系列的動(dòng)力電池箱體，第一代動(dòng)力電池箱體含電為24 kW·h，整包質(zhì)量為272 kg；第二代動(dòng)力電池箱體含電為30 kW·h，整包質(zhì)量為293 kg；第三代動(dòng)力電池箱體含電為40 kW·h，整包質(zhì)量為303 kg。即在同等電量的前提下，每一代Leaf系列的電池都實(shí)現(xiàn)了明顯減重。本研究主要對動(dòng)力電池箱體輕量化研究和發(fā)展進(jìn)行分析。

3 電池箱體輕量化研究及發(fā)展

3.1 電池箱上蓋輕量化

電池箱的上蓋位于動(dòng)力電池箱體的上方，不受動(dòng)力電池箱體側(cè)面的影響，也不會(huì)影響整個(gè)電池組的質(zhì)量，只具備密封作用。電池箱上蓋能將電池模組密封到動(dòng)力電池箱體內(nèi)部，具有良好的密封效果［7］。

在前期，電池箱上蓋一般為沖壓鋼板，如特斯拉Modal 3采用的是0.8 mm厚的沖壓鋼板，也有采用深沖鋁合金的電池上蓋。與鋼板相比，鋁合金上蓋的減重效果較為明顯，如采用厚度為1.5～2.0 mm的鋁合金上蓋可減重20%～30%，但與鋼板相比，其沖壓性能明顯下降。

如果下箱體擁有一定強(qiáng)度，上蓋就能采用輕質(zhì)增強(qiáng)塑料來完全替代金屬。如以PP和PA為基材的增強(qiáng)塑料，但存在明顯的缺點(diǎn)，如熔點(diǎn)較低、電磁適用性不強(qiáng)，很容易造成較大的安全隱患，且PA具有極強(qiáng)的吸濕性，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。一般情況下，使用3 mm厚的PP玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料就能完全替代1 mm厚的沖壓鋼板，能減輕一半的重量。通常情況下，電池上蓋以非主要承重部件為核心，其還能在一定程度提升箱體強(qiáng)度。因此，還可采用碳纖維來增強(qiáng)箱體強(qiáng)度，從而起到減重的作用，但碳纖維的成本高。目前，很多塑料上蓋使用的是SMC復(fù)合材料，SMC的密度為1.75～1.95 g/cm3、厚度為2.5 mm，與沖壓鋼板相比，可減重20%～30%。與鋁合金上蓋相比，SMC復(fù)合材料的減重效果并不明顯，但能制造較大深度的上蓋，在降低箱體高度及質(zhì)量的同時(shí)，使整箱質(zhì)量下降。部分車型電池箱上蓋材料和質(zhì)量詳見表1。

表1 部分車型電池箱上蓋材料及質(zhì)量

對吉利某車型的電池箱體上蓋同一結(jié)構(gòu)的不同材料進(jìn)行成型后質(zhì)量計(jì)算，并進(jìn)行對比，具體如表2所示。

表2 吉利某車型各材料電池箱上蓋質(zhì)量對比

3.2 電池箱下箱輕量化

動(dòng)力電池箱的下箱體是電池箱的主要部分。一般情況下，其可抵御外部的沖擊，保護(hù)電池模組與電芯［8］。在電動(dòng)汽車內(nèi)部，電池下箱體的安全系數(shù)比較高。一般情況下，電池下箱使用鋼、鋁或增強(qiáng)塑料。一是以鋼材料為主的電池下箱體，采用沖壓、焊接工藝成型，強(qiáng)度和剛度相對較高，成本相對更低，但質(zhì)量更大，如Nissan Leaf早期的電動(dòng)車就采用鋼制的電池箱體。但其對電動(dòng)汽車的續(xù)航會(huì)造成一定影響。目前，傳統(tǒng)鋼制電池下箱體已停止投入使用。二是以鋁材料為主的電池下箱體與鋼板下箱體進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)沖壓鋁板下箱體的重量低，但其沖擊強(qiáng)度有待提升。即將車身與底盤等充分且有效地結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池箱體輕量化的目標(biāo)，如特斯拉Model 3。

與鋼制電池箱下箱體相比，鋁壓鑄電池下箱體的優(yōu)勢較為明顯，能對其形狀與壁厚展開科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，但鋁壓鑄電池箱體的尺寸較小，一般用于PHEV車型上。

目前，消費(fèi)者對續(xù)航的要求越來越高，對電池電量的需求也非常大。因此，電池箱體的尺寸也明顯變大。目前，很多車企都采用鋁擠出型材、攪拌摩擦焊工藝成型的下箱體底板，與4塊側(cè)板焊接，從而組成一個(gè)整體（見圖3）。

圖3 某車型鋁型材電池下箱體

與鋼制電池相比，鋁型材電池下箱體能減重超30%，較為容易成型，且電池箱體的尺寸較大，對較大車型較為適用，但鋁型材的成本高。因此，可選擇一些強(qiáng)度更高的鋁型材，如Constellium的HSA6，其性能比較高，拉伸強(qiáng)度也超過400 MPa，與普通鋁型材下箱體相比，還能再減重20%～30%。

電芯能量密度有著很大的技術(shù)瓶頸，要在增加電池箱體能量密度的同時(shí)，降低電芯以外部件的質(zhì)量，電池箱體減重是關(guān)鍵［9］。目前，在不降低強(qiáng)度的前提下，能減少40%的重量。因此，本研究將碳纖維、玻璃纖維同時(shí)混入其中，并根據(jù)實(shí)際情況對兩種纖維含量不斷進(jìn)行調(diào)整，但其總含量要高于40%。在滿足沖擊強(qiáng)度等基本性能的前提下，得出最佳的材料比例。最終，動(dòng)力電池箱體減重約31%。

4 動(dòng)力電池箱體的輕量化途徑

在動(dòng)力電池輕量化過程中，基本上是從結(jié)構(gòu)、材料與工藝等方面出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)的（見圖4）。

圖4 電池箱體輕量化途徑

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一般情況下，采取CAD、CAE、CAM一體化技術(shù)對純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池箱整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過輕量化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)剖析動(dòng)力電池箱體，計(jì)算其強(qiáng)度，從而保證動(dòng)力電池箱體的質(zhì)量。通過多種方法實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)拓?fù)浜秃癜鍦p厚優(yōu)化。

截至目前，國內(nèi)在新能源汽車安全碰撞方面沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，各大車企要使用ANSYS等軟件對其進(jìn)行仿真輕量化設(shè)計(jì)，細(xì)致分析電池箱體的剛度結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度、材料疲勞度等，并對輕量化后的動(dòng)力電池箱體進(jìn)行必要的安全碰撞分析，全面提升汽車的安全性。表3為我國汽車輕量化階段目標(biāo)。

表3 我國汽車輕量化階段目標(biāo)

4.2 材料輕量化

輕量化材料是指密度較低、強(qiáng)度較高，且具備一定承重性的材料，鎂合金、鋁合金、高強(qiáng)度鋼、碳纖維等是目前常用的輕量化材料。根據(jù)電池箱體的結(jié)構(gòu)，電池箱體上蓋不會(huì)承受側(cè)面與底面帶來的壓力，對整個(gè)電池組的質(zhì)量不會(huì)發(fā)揮任何作用，其只具有一定的密封性。如果下箱體擁有一定的強(qiáng)度，那么上蓋就能夠采用PP基材增強(qiáng)塑料，可減重約50%。如奇瑞EQ1就使用全鋁車身，電池箱體的上蓋采用PP+LGF材料，從而實(shí)現(xiàn)減重的目的。

很多學(xué)者對碳纖維材料動(dòng)力電池箱體的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)碳纖維電池箱體對減重具有顯著的成效，根據(jù)其占據(jù)的具體比重來看，可達(dá)52.17%，動(dòng)態(tài)性能與靜態(tài)性能都滿足相關(guān)要求。另一方面，碳纖維的成本高，而PP、PA基材料的強(qiáng)度總體上比較低。目前，上蓋使用SMC復(fù)合材料模壓而成，能減重25%左右，而鋁合金箱體的高度會(huì)在一定程度上降低，進(jìn)而使箱體的質(zhì)量減少。如現(xiàn)代汽車公司就以PA6為基材，加入碳纖維和玻璃纖維，來減少動(dòng)力電池箱體的重量（可減重31%），剛度與強(qiáng)度也能達(dá)到相關(guān)要求。

4.3 底盤和電池包箱體的集成化

動(dòng)力電池箱體與其底盤的安裝位置能夠重合，這是動(dòng)力電池增重的核心因素，底盤與動(dòng)力電池包箱體的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)對電動(dòng)汽車輕量化研究具有重要意義。

寧德時(shí)代在公司技術(shù)規(guī)劃中提出，在2022—2023年，電池包的能量密度要達(dá)到230～260 W·h/Kg，這要與整車廠建立友好的合作關(guān)系，對新型電池箱體構(gòu)件進(jìn)行開發(fā)。

美國能源局與Stanford大學(xué)對純電動(dòng)汽車底盤-動(dòng)力電池項(xiàng)目進(jìn)行系統(tǒng)分析，可把電池箱體和底盤結(jié)合在一起，整車質(zhì)量至少降低40%，并對底盤以及相關(guān)部件結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化。

特斯拉Model 3電池包具有極強(qiáng)的創(chuàng)新性（見圖5），采用3.2 mm鋁板沖壓后成型為2 150 mm×1 450 mm×103 mm的下托盤，使用0.8 mm沖壓鋼板做上蓋，通過螺紋連接與點(diǎn)焊法，把動(dòng)力電池的上蓋和下托盤整合到一起，從而形成一個(gè)完整的整體。電池包重量下降到478 kg，與80.5 kW·h的Model S相比，減重約15%。

圖5 特斯拉Modal 3電池包結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有新能源汽車輕量化研究來看，對電池箱體輕量化展開系統(tǒng)分析尤為重要?？赏ㄟ^優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)、使用高強(qiáng)度復(fù)合材料等方式，實(shí)現(xiàn)電池箱體的輕量化。隨著時(shí)代的進(jìn)步，電池箱體和底盤集成朝著一體化方向發(fā)展，把電芯安裝在底盤中，這樣使整車的彎曲強(qiáng)度與扭曲剛度能得到充分的滿足，從而對整車的質(zhì)量展開系統(tǒng)控制。