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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(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：蔡揚(yáng)揚(yáng)等  
　
文章來(lái)源：1.江蘇常熟汽飾集團(tuán)股份有限公司2.北京航空航天大學(xué)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(dòng)態(tài)（剛強(qiáng)度、模態(tài)等）穩(wěn)定，才
文章來(lái)源：1.江蘇常熟汽飾集團(tuán)股份有限公司2.北京航空航天大學(xué)

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(dòng)態(tài)（剛強(qiáng)度、模態(tài)等）穩(wěn)定，才能保證動(dòng)力電池不出現(xiàn)濫用工況，使動(dòng)力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
本文針對(duì)新能源汽車電池包箱體輕量化途徑（材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)）的研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理，對(duì)主流電池包箱體輕量化技術(shù)進(jìn)行闡述，并分析其研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

2電池包箱體材料輕量化研究進(jìn)展
電池包箱體材料應(yīng)具備電絕緣性、高散熱性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，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(fù)合材料由于其優(yōu)異的比剛強(qiáng)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(jiǎn)單、成本低，具有較好的導(dǎo)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(diǎn)是質(zhì)量較大。
隨著汽車輕量化設(shè)計(jì)理念的深入，鋁合金因密度小、剛強(qiáng)度大和壓鑄性能好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為實(shí)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(qiáng)度要求，更易實(shí)現(xiàn)輕量化。此外，金屬和塑料的結(jié)合也是實(shí)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(fù)合材料（SheetMoldingCom?pound，SMC）和高強(qiáng)鋁?？紤]到成本、加工等因素，國(guó)內(nèi)入門級(jí)和經(jīng)濟(jì)型電動(dòng)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(fù)合材料
電池包箱體使用的復(fù)合材料以碳纖維復(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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料箱體也有針對(duì)性的研究。
如Baumeister等利用泡沫鋁復(fù)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(guò)改變碳纖維和玻璃纖維的含量（纖維總摻加量不超過(guò)40%），在滿足強(qiáng)度、沖擊等性能的條件下，成功開(kāi)發(fā)出相比普通鋼材質(zhì)量減輕31%的增強(qiáng)塑料下殼體。毛占穩(wěn)等與一汽轎車共同開(kāi)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(qiáng)復(fù)合材料具有密度低、剛強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，已在電池包箱體中大量應(yīng)用。

德國(guó)ICT化工技術(shù)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(shù)脂作為基體的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通過(guò)預(yù)浸料模壓成型工藝制作電池箱體，也實(shí)現(xiàn)了輕量化效果。

從上述國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展可以看出，電池包的輕量化研發(fā)和設(shè)計(jì)進(jìn)程將會(huì)持續(xù)進(jìn)行，但新材料、新工藝所帶來(lái)的制造成本較高，并不利于大規(guī)模應(yīng)用。新能源汽車動(dòng)力電池包箱體設(shè)計(jì)需要綜合考慮電池包的內(nèi)部散熱、防水防塵和安全性問(wèn)題，所以兼顧動(dòng)力電池包的輕量化和其他各項(xiàng)性能平衡的設(shè)計(jì)將會(huì)是一項(xiàng)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(gè)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(kāi)發(fā)平臺(tái)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(huì)與電池包箱體產(chǎn)生沖突，所以電池包布置時(shí)還應(yīng)考慮與車身地板間的間隙等因素。在結(jié)構(gòu)上對(duì)箱體所用沖壓材料的厚度進(jìn)行了相應(yīng)減薄，并配合外部凸筋進(jìn)行組裝，簡(jiǎn)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)，會(huì)降低極端環(huán)境下的使用性能。在電池包箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，圖3d所示的“滑板”式電池包設(shè)計(jì)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(duì)電池組進(jìn)行保護(hù)，這種結(jié)構(gòu)已成為電動(dòng)汽車電池包設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)。
電動(dòng)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(jìn)行設(shè)計(jì)，離地間隙、驅(qū)動(dòng)方式和載荷是需要考慮的重要因素。隨著電池包技術(shù)的不斷突破，其布置方式也更加科學(xué)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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