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新能源汽車電池包箱體結(jié)構(gòu)的輕量化研究現(xiàn)狀
2021-09-12 12:24:14· 來源：電動學堂 作者：蔡揚揚等
文章來源：1.江蘇常熟汽飾集團股份有限公司2.北京航空航天大學1前言電池包箱體（殼體）是電池包的主要承載部件，只有箱體的靜、動態(tài)（剛強度、模態(tài)等）穩(wěn)定，才
文章來源：1.江蘇常熟汽飾集團股份有限公司2.北京航空航天大學
1前言
電池包箱體（殼體）是電池包的主要承載部件，只有箱體的靜、動態(tài)（剛強度、模態(tài)等）穩(wěn)定，才能保證動力電池不出現(xiàn)濫用工況，使動力系統(tǒng)平穩(wěn)運行。
本文針對新能源汽車電池包箱體輕量化途徑（材料選擇、結(jié)構(gòu)設計和制造技術）的研究成果進行系統(tǒng)梳理，對主流電池包箱體輕量化技術進行闡述，并分析其研究重點和發(fā)展方向。
2電池包箱體材料輕量化研究進展
電池包箱體材料應具備電絕緣性、高散熱性和化學穩(wěn)定性等特點，箱體一般由上、下箱體和密封系統(tǒng)組成。電池包質(zhì)量占整車系統(tǒng)質(zhì)量的18%~30%，而箱體質(zhì)量約占電池包總質(zhì)量的10%~20%。目前普遍使用金屬作為電池包箱體材料，復合材料由于其優(yōu)異的比剛強度也逐漸受到重視。
2.1電池包箱體用金屬材料
在電池包箱體所用的金屬材料中，鋼板材料的制造工藝簡單、成本低，具有較好的導熱性、抗沖擊性和熱管理能力，為箱體的常用材料，但其主要缺點是質(zhì)量較大。
隨著汽車輕量化設計理念的深入，鋁合金因密度小、剛強度大和壓鑄性能好等優(yōu)點，逐漸成為實現(xiàn)汽車輕量化的主要材料，目前已經(jīng)生產(chǎn)出鑄鋁電池箱、鋁板材電池箱和鋁型材電池箱等產(chǎn)品。其中，鋁制電池包箱體的承載結(jié)構(gòu)主要分為底板式和框架式。
大眾公司研究發(fā)現(xiàn)，框架承載式結(jié)構(gòu)的箱體能滿足不同結(jié)構(gòu)的強度要求，更易實現(xiàn)輕量化。此外，金屬和塑料的結(jié)合也是實現(xiàn)電池包箱體輕量化的主要方式，如比亞迪-秦（ProEV500）電池包的上、下殼體分別采用片狀模塑料復合材料（SheetMoldingCom?pound，SMC）和高強鋁。考慮到成本、加工等因素，國內(nèi)入門級和經(jīng)濟型電動汽車的電池包外殼多采用鋼制箱體，部分新能源汽車電池包采用金屬箱體材料，如表1所示。
2.2電池包箱體復合材料
電池包箱體使用的復合材料以碳纖維復合材料、玻璃纖維增強復合材料和SMC復合材料等輕量化材料為主，不同材料制成的電池包箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示，國內(nèi)外學者對復合材料箱體也有針對性的研究。
如Baumeister等利用泡沫鋁復合三明治材料成功制成了能轉(zhuǎn)載20kW·h的電池包下殼體，并使下殼體質(zhì)量減輕了10%~20%。Choi等[9]以尼龍6（PA6）為基體，通過改變碳纖維和玻璃纖維的含量（纖維總摻加量不超過40%），在滿足強度、沖擊等性能的條件下，成功開發(fā)出相比普通鋼材質(zhì)量減輕31%的增強塑料下殼體。毛占穩(wěn)等與一汽轎車共同開發(fā)碳纖維電池包箱體，成功將箱體質(zhì)量由110kg減輕到19kg。碳纖維增強復合材料具有密度低、剛強度大等優(yōu)點，已在電池包箱體中大量應用。
德國ICT化工技術研究所研制出了一種以聚氨酯為基體的熱固性塑料電池包箱體，該箱體質(zhì)量35kg，可承載340kg的電池組，比同等規(guī)格鋼材質(zhì)量減輕35%以上。邵明頂?shù)壤眠B續(xù)玻璃纖維編織布作為基材，環(huán)氧乙烯基樹脂作為基體的玻璃纖維增強復合材料通過預浸料模壓成型工藝制作電池箱體，也實現(xiàn)了輕量化效果。
從上述國內(nèi)外研究進展可以看出，電池包的輕量化研發(fā)和設計進程將會持續(xù)進行，但新材料、新工藝所帶來的制造成本較高，并不利于大規(guī)模應用。新能源汽車動力電池包箱體設計需要綜合考慮電池包的內(nèi)部散熱、防水防塵和安全性問題，所以兼顧動力電池包的輕量化和其他各項性能平衡的設計將會是一項重要的挑戰(zhàn)。
3電池包箱體結(jié)構(gòu)輕量化研究
目前，新能源汽車電池包箱體多固定在汽車底板安裝支架上，一般分為上、下殼體2個部分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.1電池包形狀及布置
目前新能源汽車的電池包結(jié)構(gòu)主要有“土”字型、“凹”字型、“T”字型和“滑板”式，其形狀和布置方式主要受車型開發(fā)平臺的影響，不同電池包結(jié)構(gòu)如圖3所示。以圖3b所示的“凹”字型電池包為例，電池包箱體的布置充分利用了汽車底板與地面之間的空間結(jié)構(gòu)，使其能與乘員艙底板充分貼合，但上殼體靠近車身地板，地板部分結(jié)構(gòu)也會與電池包箱體產(chǎn)生沖突，所以電池包布置時還應考慮與車身地板間的間隙等因素。在結(jié)構(gòu)上對箱體所用沖壓材料的厚度進行了相應減薄，并配合外部凸筋進行組裝，簡化了電池包結(jié)構(gòu)特征，減輕了質(zhì)量，提高了電池包的密封性和可靠性，但該電池組缺乏有效的電池熱管理系統(tǒng)，會降低極端環(huán)境下的使用性能。在電池包箱體結(jié)構(gòu)設計中，圖3d所示的“滑板”式電池包設計較為經(jīng)典，電池包與車身底板融為一體，極大節(jié)約了使用的空間，且利用整車的框架對電池組進行保護，這種結(jié)構(gòu)已成為電動汽車電池包設計的主要趨勢。
電動汽車電池包的布置方式需要根據(jù)汽車整體的空間結(jié)構(gòu)和布局進行設計，離地間隙、驅(qū)動方式和載荷是需要考慮的重要因素。隨著電池包技術的不斷突破，其布置方式也更加科學合理，表2匯總了不同品牌車型的電池包排列方式，可以看出電池包的布置形式主要分為車身后置和車身底板下置2種，其中底板下置的布置方式能夠降低車身重心、提高整車操縱穩(wěn)定性和優(yōu)化碰撞傳力路徑，已經(jīng)成為電池包布置的主要方式。
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