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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(xué)堂 作者：蔡揚(yáng)揚(yáng)等
3.2電池包下箱體結(jié)構(gòu)
電池包下箱體作為電池包系統(tǒng)的承載部件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和布局直接影響電池包的使用壽命。下箱體內(nèi)部布局與其耐撞結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)筋和內(nèi)部模組隔板設(shè)計有關(guān)。對于下箱體碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計，因道路的復(fù)雜性和碰撞形式的多樣性，不能保證設(shè)計出不可穿透的下箱體結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者對電池包箱體碰撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。
楊威通過選擇不同材料和厚度的鋁合金箱體對電池包結(jié)構(gòu)抗壓性能和電池局部變形進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，電池包箱體底板的失效位移與板厚無關(guān)。Rawlinson在專利中指出，雙層防護(hù)板和泡沫夾層板的電池包箱體具有良好的防撞效果。此外，也有學(xué)者建立了電池包箱體有限元模型，并對其正面和側(cè)面碰撞的安全性能進(jìn)行分析，普遍認(rèn)為下箱體碰撞結(jié)構(gòu)選擇吸能的三明治結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)，能提高電池包下箱體的碰撞安全性。
為避免壓縮和沖擊變形的破壞，同時滿足輕量化設(shè)計理念，具有局部加強(qiáng)筋的加強(qiáng)板也受到關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了研究，如：黃娜對鈑金件加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使支撐板的剛度較大幅度提升；段昀輝等對車身鈑金件不同區(qū)域加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化，得到了加強(qiáng)筋最優(yōu)設(shè)計方案；Afonso等針對變厚度板殼進(jìn)行優(yōu)化，得到了加強(qiáng)筋的布局和形貌。電池包箱體設(shè)置加強(qiáng)筋，使箱體受力時不易變形，同時固定了電池組陣列，提高抗彎扭強(qiáng)度，改善了其抗失衡能力。加強(qiáng)筋設(shè)計時應(yīng)充分考慮其截面、起筋方向和排布，在保證箱體剛度的前提下，盡可能降低其在電池箱內(nèi)部的空間占有率。
新能源汽車電池組多為2層或多層排布，電池箱內(nèi)常設(shè)有隔板以實(shí)現(xiàn)電池包各層的安裝固定。隔板設(shè)計時應(yīng)考慮其與箱體、連接結(jié)構(gòu)間的穩(wěn)定性，在保證隔板剛度的條件下，盡可能減輕質(zhì)量。目前電池箱體的內(nèi)部多以貫通的截面梁和管、管狀梁方式布置，多個橫梁、縱梁將電池包內(nèi)部分為多個電池模組的安裝區(qū)域。部分新能源汽車電池包下殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如表3所示。
3.3電池包箱體輕量化優(yōu)化方法研究
為了在較短時間內(nèi)開發(fā)出性能優(yōu)良且穩(wěn)定的產(chǎn)品，研發(fā)階段不僅要使用傳統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)，還常利用有限元仿真技術(shù)，輔助完成產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。國內(nèi)外學(xué)者在電池包箱體輕量化仿真優(yōu)化上也進(jìn)行了針對性研究，如：Hartmann等采用有限元優(yōu)化軟件OptiStruct對電動汽車電池包箱體的形貌進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，成功減小了電池包箱體的壁厚，使整體質(zhì)量減輕了20%；Wang等建立了電池包有限元模型，進(jìn)行多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化，確立了材料的最優(yōu)分布，使電池包箱體質(zhì)量減輕了10%；Kaleg等利用鋁合金對電池包板厚進(jìn)行優(yōu)化，并得到最佳質(zhì)量的電池包箱體；LIU等開發(fā)了一種碳纖維編織布的優(yōu)化設(shè)計方法，通過多尺度參數(shù)優(yōu)化，在滿足性能要求的前提下使得復(fù)合材料電池包箱體質(zhì)量減輕了22%；張宇等利用CAE有限元分析方法對電池包箱體下板進(jìn)行形貌優(yōu)化，使電池箱體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性更合理，質(zhì)量減輕了61.39%；陳球勝用高強(qiáng)鋼和鋁合金對電池包箱體進(jìn)行材料替換，并對箱體的厚度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，成功使箱體質(zhì)量減輕了25.5%；蘭鳳崇等通過多材料并用和優(yōu)化流程的方法，利用試驗(yàn)設(shè)計、模擬擬合和遺傳算法優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，使電池包箱體質(zhì)量減輕了47.3%。此外，湖南大學(xué)也使用CAE技術(shù)對電池包箱體不同部位進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了不同程度的輕量化效果。
4電池包箱體制造技術(shù)輕量化
制造技術(shù)是決定電池包箱體能否商業(yè)化的重要途徑，電池包箱體的一次成型技術(shù)和連接技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)其輕量化的重要手段。從箱體的成型技術(shù)和連接技術(shù)兩方面進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上也能減輕電池包的自重。
4.1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)流壓鑄技術(shù)，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，在汽車零部件中的應(yīng)用十分廣泛，預(yù)計未來會成為電池包箱體的主要制造工藝。
復(fù)合材料成型工藝眾多，如熱壓罐、樹脂傳遞模塑成型（ResinTransferMolding，RTM）、真空導(dǎo)入、注射、擠壓和噴射等。生產(chǎn)和制造過程中，可根據(jù)零部件特征、成本和選用的復(fù)合材料類型選擇最合適的制造工藝，目前常采用注射一次成型的方式生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料電池包箱體。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料目前只在部分車型中使用，其材料和制造成本下降到一定程度后，碳纖維復(fù)合材料箱體將是未來新能源汽車電池包箱體的主流。
4.2電池包箱體連接技術(shù)
目前電池包箱體由純金屬箱體向金屬-復(fù)合材料混合型箱體過渡，以異種材料的組合為主要形式。異種材料連接成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是抗疲勞性、耐腐蝕性和輕量化性較好，尤其是輕量化方面。不同材料間的主要連接方式為膠接、機(jī)械連接和混合連接。
目前新能源汽車箱體以鋁材或混合材料為主，多以緊固件連接形式進(jìn)行固定連接，鋁制箱體與車身的連接對穩(wěn)定性要求較高，主要用搭鐵螺栓、鉚接并配合加強(qiáng)筋進(jìn)行連接。在電池包箱體自身連接技術(shù)上，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了研究。
Schmerler等在不損傷纖維材料的情況下，利用膠接等方式對三明治結(jié)構(gòu)電池包箱體各部分實(shí)現(xiàn)了良好的連接。趙河林利用鎢極惰性氣體保護(hù)（TungstenInertGas，TIG）焊對某國產(chǎn)5052鋁合金電池包箱體成功完成了密封焊接。徐治勤等利用流鉆螺釘（FlowDrillScrew，F(xiàn)DS）工藝對某款鋁合金電池包箱體進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了鋁合金箱體板材間的有效連接。李紅等系統(tǒng)分析了國內(nèi)外電池包箱體連接技術(shù)研究成果，并提出了緊固件是目前電池包箱體連接的主要形式，對一些特定材料需采用激光焊接進(jìn)行密封。異種材料間的連接需要根據(jù)其連接部位、剛強(qiáng)度要求有針對性地選擇適合的連接方式。
對于電池包箱體與車身的連接形式，各企業(yè)采用的方法也不盡相同，目前國內(nèi)外研究成果較少。以碳纖維箱體為例，箱體與車身的連接處常使用金屬接頭，接頭與材料主體結(jié)構(gòu)層采用膠接輔助粘接，以混合連接的方式進(jìn)行固定。“機(jī)械固定+膠接”混合連接的方式，也可以有效提高輕型構(gòu)件和車身結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度和耐撞性，輕量化的同時使得連接具有良好的穩(wěn)定性。中國的汽車相關(guān)企業(yè)在電池包箱體和車身的連接工藝上也申請了多項(xiàng)專利。
5動力電池包的標(biāo)準(zhǔn)和性能評價方法
目前，關(guān)于動力電池包的標(biāo)準(zhǔn)主要由歐盟、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、中國、美國和德國等制定。安全性是制約電池包應(yīng)用的關(guān)鍵因素，各國的標(biāo)準(zhǔn)在安全性評價方法方面都有明確的規(guī)定，評價的主要內(nèi)容圍繞機(jī)械安全（振動、沖擊和跌落等）、環(huán)境安全（熱沖擊和熱穩(wěn)定性）和電氣安全（短路和過充放電）3個方面。中國在2015年相繼制定了6項(xiàng)動力電池新標(biāo)準(zhǔn)，其中有3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T31484、GB/T31485和GB/T31486）不再局限于鋰離子電池，而是包含了所有動力電池包的類型。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對電池包安全性測試的內(nèi)容如表4所示。
由表4可以看出，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在測試內(nèi)容和覆蓋范圍方面均有所不同，評測的主要對象以電池單體、電池模塊和電池包系統(tǒng)為主。
在安全性測試方面，中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T31467.3—2015增加了鹽霧和低氣壓測試碰撞測試，中國標(biāo)準(zhǔn)在環(huán)境安全性檢測評價的內(nèi)容上要多于國外標(biāo)準(zhǔn)，而歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC62660.3:2016和美國標(biāo)準(zhǔn)UL2580-2013在熱穩(wěn)定性方面則有詳細(xì)說明，特別地，在溫升測試中，美國標(biāo)準(zhǔn)UL2580-2013還針對電池包外殼和關(guān)鍵零部件對溫度的耐受力進(jìn)行了測試，并對電池包外殼體表面開口的設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了說明，其他標(biāo)準(zhǔn)則沒有相關(guān)規(guī)定。
此外，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在動力電池包的性能評價上側(cè)重點(diǎn)各有不同，且都沒有提出電池包安全時效性的性能評價方法，故需結(jié)合電池應(yīng)用情況，制定電池包全周期性能評價體系，以滿足電動汽車電池包不斷發(fā)展的需求。
6結(jié)束語
綜合國內(nèi)外電池包箱體所用材料和結(jié)構(gòu)來看，在材料的選擇上：若選擇金屬作為箱體材料，制造工藝非一次成型，需要進(jìn)行后續(xù)焊接加固等步驟，增加了電池包的質(zhì)量；若選擇復(fù)合材料，則需要平衡電池包箱體的制造成本、剛強(qiáng)度和疲勞耐久等性能。
目前電池包箱體主要以鋁合金下箱體和SMC復(fù)合材料上蓋為主，混合材料箱體結(jié)構(gòu)將是主要的發(fā)展趨勢。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，電池包箱體需考慮空間、密封、散熱和碰撞安全性能等因素，同時需要保證電池包箱體上、下結(jié)構(gòu)連接和整個箱體與車身連接的可靠性，綜合車身-底盤電池包結(jié)構(gòu)一體化和電池包箱體輕量化所用材料將是兩大重要的輕量化發(fā)展方向。此外，電池包的性能測試評價的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)增加整車級別和全生命周期的綜合性驗(yàn)證。
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