新能源汽車的輕量化，對(duì)提升汽車的里程具有重要意義，研究顯示，對(duì)于新能源純電動(dòng)汽車，汽車質(zhì)量每減少10%，電耗下降5.5%，續(xù)航里程增加5.5%，同時(shí)汽車質(zhì)量的降低可減少制動(dòng)距離，提高安全性能。
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%。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。目前電池包殼體開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主要輕量化材料有高強(qiáng)鋼、鋁合金、SMC 和碳纖維復(fù)合材料（CFRP）等。電池包箱體減重可以從多個(gè)角度入手，一是使用低密度材料替代高密度材料，比如鋁替代鋼鐵，SMC、CFRP替代鋁等，另一個(gè)角度是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不斷優(yōu)化，提升其單位質(zhì)量所能承受的效能。本文從材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度入手，為大家提供電池包箱體輕量化的一些思考和借鑒。材料
| 密度（kg/m3）
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鋼鐵
| 7.9×103
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鋁
| 2.7×103
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SMC
| 1.75~1.95×103
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CFRP
| 1.7~2.0×103
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目前，電池包箱體所用材料有鋼、鋁等金屬材料，以及SMC、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。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。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（Pro EV500）電池包的上、下殼體分別采用片狀模塑料復(fù)合材料（Sheet Molding Compound，SMC）和高強(qiáng)鋁。考慮到成本、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，如下表所示。車型 | 電池包箱體材料 |
特斯拉Roadster | 鋁板 |
寶馬i3 | 鋁板 |
雪佛蘭Volt | 鋼板 |
本田Fit EV | 鋼板 |
吉利EmgrandEV450 | 鋁板+SMC |
蔚來(lái)ES8 | 鋁板 |
日產(chǎn)Leaf | 鋼板 |
凱迪拉克CT6 | 鋁合金 |
奧迪Q7 e-tron | 鋁合金 |
特斯拉Model 3 | 鋼板+鋁板 |
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20 kW·h 的電池包下殼體，并使下殼體質(zhì)量減輕10%~20%。Choi等以PA6為基體，通過(guò)碳纖維和玻璃纖維復(fù)合添加（纖維總量不超過(guò)40%），開(kāi)發(fā)出相比普通鋼材減輕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110 kg減輕到19 kg。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35 kg，可承載340 kg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。吳德順?lè)謩e設(shè)計(jì)了金屬材料及 PP-LGF材料電池包方案，結(jié)果表明 PP-LGF方案可以實(shí)現(xiàn)減重 80%，同時(shí)不同工況下最大應(yīng)力可降低55%～60%，全鋁車身的奇瑞小螞蟻eQ1電池箱上蓋也采用了 PP-LGF 材料進(jìn)一步減重。新材料、新工藝所帶來(lái)的制造成本較高，目前尚未大規(guī)模應(yīng)用。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，其設(shè)計(jì)要兼顧輕量化和其他各項(xiàng)性能平衡。從優(yōu)化結(jié)構(gòu)著手，也是實(shí)現(xiàn)新能源汽車電池包箱體輕量化的重要方式。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)如圖所示。
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。在電池包箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，“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)。品牌型號(hào) | 電池包排列方式 |
特斯拉Model系列 | 長(zhǎng)方形底板與車身底板一體 |
雪佛蘭Volt | 底板下方，“T”字型放置 |
寶馬i3 | 長(zhǎng)方形底板與車身底板一體 |
福特Focus-EV | 后軸前方 |
雷諾ZOE | 長(zhǎng)方形底板與車身底板一體 |
大眾e-Golf | 底板下方，“土”字型 |
日產(chǎn)Leaf | 車身中間底板下方 |
奧迪AL e-tron | T型排列在后車軸前面底板內(nèi) |
本田Fit | 車身中間地板下面 |
小鵬G3 | 底板下方 |
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，目前多采用金屬材料。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(jì)有關(guān)。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(jì)時(shí)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(gè)橫梁、縱梁將電池包內(nèi)部分為多個(gè)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)電池包
| 電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)
| 說(shuō)明
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| 全鋁箱體，由部分緊固件連接，電池整包
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| 內(nèi)部無(wú)橫、縱梁，連接的單體電池承擔(dān)中間梁，下殼體由電池邊框和底板構(gòu)成
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| 電池包箱體框架為鋁合金，厚度3.2 mm，總質(zhì)量約125kg
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| 電池包外殼框架采用鋁型材制造，電池包總質(zhì)量為525 kg
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| 箱體質(zhì)量為53 kg，底板為 3.2 mm 鋁合
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除此之外，為了在較短時(shí)間內(nèi)開(kāi)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)、CAE分析等，輔助完成產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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。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。復(fù)合材料成型工藝眾多，如熱壓罐、樹(shù)脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）、真空導(dǎo)入、注射、擠壓和噴射等。生產(chǎn)和制造過(guò)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。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，將是未來(lái)新能源汽車電池包箱體的主流。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(guò)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。還有一個(gè)動(dòng)力電池包箱體輕量化的重要依據(jù)是電池包的標(biāo)準(zhǔn)和性能評(píng)價(jià)方法。目前，關(guān)于動(dòng)力電池包的標(biāo)準(zhǔn)主要由歐盟、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織、中國(guó)、美國(guó)和德國(guó)等制定。安全性是制約電池包應(yīng)用的關(guān)鍵因素，評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容圍繞機(jī)械安全（振動(dòng)、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(guò)充放電） 3 個(gè)方面。總結(jié)來(lái)說(shuō)，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(shì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)需要保證電池包箱體上、下結(jié)構(gòu)連接和整個(gè)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(cè)試評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)增加整車級(jí)別和全生命周期的綜合性驗(yàn)證。參考素材：新能源汽車電池包箱體結(jié)構(gòu)的輕量化研究現(xiàn)狀，蔡揚(yáng)揚(yáng)等，網(wǎng)絡(luò)資料。艾邦建有汽車材料技術(shù)交流群，長(zhǎng)城、一汽、長(zhǎng)安、東風(fēng)、大陸、敏實(shí)、庫(kù)爾茲、日寫(xiě)、東麗、科思創(chuàng)、巴斯夫、LG、帝斯曼、朗盛等企業(yè)均已加入，歡迎產(chǎn)業(yè)鏈上下游的朋友入群探討，共謀進(jìn)步。
2022年新能源汽車電池系統(tǒng)高分子材料論壇
2022年3月17日
蘇州
序號(hào) | 暫定議題 |
1 | 動(dòng)力電池包箱體輕量化設(shè)計(jì)與選材 |
2 | SMC/碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)電池箱的輕量化 |
3 | 聚丙烯鋁塑膜在軟包電池中的應(yīng)用 |
4 | 動(dòng)力電池模組的設(shè)計(jì)及選材 |
5 | 鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及選材 |
6 | 導(dǎo)熱硅膠在鋰電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用 |
7 | 電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)（接插件、線路等）材料解決方案 |
8 | 充電樁、充電槍用高分子材料解決方案 |
9 | BMS系統(tǒng)用高分子材料 |
10 | 電機(jī)用高分子材料 |
11 | 氫燃料電池的高分子材料解決方案 |
12 | 阻燃PA、PC、PBT、PPS、PP等塑料在電池包系統(tǒng)的應(yīng)用 |
13 | 鋰電池隔膜用高分子材料（PP、PE等） |
14 | 聚偏氟乙烯（PVDF）在鋰電池中的應(yīng)用 |
15 | 鋰離子電池負(fù)極粘結(jié)劑用丁苯橡膠 |
報(bào)名方式一：請(qǐng)加微信并發(fā)名片報(bào)名
https://www.aibang360.com/m/100103?ref=161788原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦高分子）：新能源汽車電池包箱體如何實(shí)現(xiàn)輕量化？
