动力电池箱体轻量化技术综述复材云集|复合材料

随着汽车行业的发展，节能与新能源将会成为汽车行业的主流。而国家对智能化技术的发展给予强有力的支持[1]。目前，很多国家与地区都出台了不少促进新能源汽车发展的政策。2018年，在中国工信部印发的关于新能源汽车政策中，与以往相比，新的补贴方案比之前减少了大约20%，但新推出的补贴方案对电池能量密度较高、续航性能更佳、耗能更低的车型给予更多鼓励，激励整车厂在续航更强、能量密度更高的电池系统方面加大投入，降低能耗，减少汽车碳排放，提高电动汽车的续航里程，在给予人们更好体验的同时，也能降低电池的使用成本。由此可见，对纯电动汽车轻量化研究有着十分重要的意义，这是目前汽车领域的关键性研究课题。

1 动力电池箱体概述

通过对新能源汽车与传统燃油汽车进行对比，发现新能源汽车在技术方面的要求较高[2]。通过与国外新能源汽车进行对比，发现中国电动商用车总体上增重15%～30%。根据电动乘用车的增重来看，增重为10%～15%，总体水平较低。所以，有必要对其进行轻量化研究。所谓的轻量化是指在确保刚强度、模态、安全性能的前提下，用现代化设计方法在降低汽车重量（即达到轻量化目标）的同时，尽可能保持汽车性能、减重和降低成本的相对平衡[3]。

在电动汽车构成中，动力电池系统的重量在整车中占比不低于30%。动力电池过重的话，会影响电动车的续航能力。在节能和新能源汽车技术路线图中提出，截至2035年，纯电动乘用车轻量化系数总体上将会下降到35%。通过车辆轻量化系数等指标对整车轻量化进行详细的评判。对动力电池系统的各个部件进行分析后发现，质量最大的是电芯本体，其次是电池箱体[4]。因此，电池箱体轻量化也成为纯电动汽车近年来的研究热点。

在对特斯拉Modal 3动力电池系统进行解体，并对各质量部件质量进行统计发现：在总箱体中，电池箱体的质量占总体比重的9.5%（见图1）。

在动力电池中，电池箱体是除电芯以外的核心部件[5]，同时也是电动汽车高定制化必不可少的零部件之一。从当前纯电动汽车来看，基本上是将传统汽车平台作为基础，把动力电池箱当作一个相对独立的个体，将其装到汽车底盘上，再通过IP67级别的密封胶垫对中间结合面进行密封。

2 动力电池系统轻量化现状

通过对传统燃油汽车与电动汽车进行对比，发现电动汽车具备电池、电机、电控三大核心电系统[6]。从总体上来看，动力电池箱体在整车整备质量中占比为18%～30%，且动力电池箱体的质量与电动汽车续航里程之间成正比关系（见图2）。由图2可知，雪佛兰Bolt、特斯拉Modal 3等的续航里程都比较大，其动力电池箱体的质量占比在26%以上。由此可见，做好对电动汽车动力电池轻量化研究的意义重大。

从目前来看，动力箱体轻量化研究被各大车企所重视，在高强钢、铝合金等轻量化材料和技术工艺方面有着较为深入的研究、发展和应用。由于动力电池箱体的质量占比相对较高，各车企更加重视对新能源汽车动力电池箱体的轻量化研究。例如，Nissan Leaf系列的动力电池箱体，第一代动力电池箱体含电为24 kW·h，整包质量为272 kg；第二代动力电池箱体含电为30 kW·h，整包质量为293 kg；第三代动力电池箱体含电为40 kW·h，整包质量为303 kg。即在同等电量的前提下，每一代Leaf系列的电池都实现了明显减重。本研究主要对动力电池箱体轻量化研究和发展进行分析。

3 电池箱体轻量化研究及发展

3.1电池箱上盖轻量化

电池箱的上盖位于动力电池箱体的上方，不受动力电池箱体侧面的影响，也不会影响整个电池组的质量，只具备密封作用。电池箱上盖能将电池模组密封到动力电池箱体内部，具有良好的密封效果[7]。

在前期，电池箱上盖一般为冲压钢板，如特斯拉Modal 3采用的是0.8 mm厚的冲压钢板，也有采用深冲铝合金的电池上盖。与钢板相比，铝合金上盖的减重效果较为明显，如采用厚度为1.5～2.0 mm的铝合金上盖可减重20%～30%，但与钢板相比，其冲压性能明显下降。

如果下箱体拥有一定强度，上盖就能采用轻质增强塑料来完全替代金属。如以PP和PA为基材的增强塑料，但存在明显的缺点，如熔点较低、电磁适用性不强，很容易造成较大的安全隐患，且PA具有极强的吸湿性，从而导致生产成本较高。一般情况下，使用3 mm厚的PP玻纤增强复合材料就能完全替代1 mm厚的冲压钢板，能减轻一半的重量。通常情况下，电池上盖以非主要承重部件为核心，其还能在一定程度提升箱体强度。因此，还可采用碳纤维来增强箱体强度，从而起到减重的作用，但碳纤维的成本高。目前，很多塑料上盖使用的是SMC复合材料，SMC的密度为1.75～1.95 g/cm3、厚度为2.5 mm，与冲压钢板相比，可减重20%～30%。与铝合金上盖相比，SMC复合材料的减重效果并不明显，但能制造较大深度的上盖，在降低箱体高度及质量的同时，使整箱质量下降。部分车型电池箱上盖材料和质量详见表1。

对吉利某车型的电池箱体上盖同一结构的不同材料进行成型后质量计算，并进行对比，具体如表2所示。

3.2电池箱下箱轻量化

动力电池箱的下箱体是电池箱的主要部分。一般情况下，其可抵御外部的冲击，保护电池模组与电芯[8]。在电动汽车内部，电池下箱体的安全系数比较高。一般情况下，电池下箱使用钢、铝或增强塑料。一是以钢材料为主的电池下箱体，采用冲压、焊接工艺成型，强度和刚度相对较高，成本相对更低，但质量更大，如Nissan Leaf早期的电动车就采用钢制的电池箱体。但其对电动汽车的续航会造成一定影响。目前，传统钢制电池下箱体已停止投入使用。二是以铝材料为主的电池下箱体与钢板下箱体进行对比，发现冲压铝板下箱体的重量低，但其冲击强度有待提升。即将车身与底盘等充分且有效地结合，进而实现动力电池箱体轻量化的目标，如特斯拉Model 3。

与钢制电池箱下箱体相比，铝压铸电池下箱体的优势较为明显，能对其形状与壁厚展开科学合理的设计，但铝压铸电池箱体的尺寸较小，一般用于PHEV车型上。

目前，消费者对续航的要求越来越高，对电池电量的需求也非常大。因此，电池箱体的尺寸也明显变大。目前，很多车企都采用铝挤出型材、搅拌摩擦焊工艺成型的下箱体底板，与4块侧板焊接，从而组成一个整体（见图3）。

与钢制电池相比，铝型材电池下箱体能减重超30%，较为容易成型，且电池箱体的尺寸较大，对较大车型较为适用，但铝型材的成本高。因此，可选择一些强度更高的铝型材，如Constellium的HSA6，其性能比较高，拉伸强度也超过400 MPa，与普通铝型材下箱体相比，还能再减重20%～30%。

电芯能量密度有着很大的技术瓶颈，要在增加电池箱体能量密度的同时，降低电芯以外部件的质量，电池箱体减重是关键[9]。目前，在不降低强度的前提下，能减少40%的重量。因此，本研究将碳纤维、玻璃纤维同时混入其中，并根据实际情况对两种纤维含量不断进行调整，但其总含量要高于40%。在满足冲击强度等基本性能的前提下，得出最佳的材料比例。最终，动力电池箱体减重约31%。

4 动力电池箱体的轻量化途径

在动力电池轻量化过程中，基本上是从结构、材料与工艺等方面出发进行设计的（见图4）。

4.1结构优化

一般情况下，采取CAD、CAE、CAM一体化技术对纯电动汽车动力电池箱整体结构进行设计，通过轻量化数据库系统剖析动力电池箱体，计算其强度，从而保证动力电池箱体的质量。通过多种方法实现对结构拓扑和厚板减厚优化。

截至目前，国内在新能源汽车安全碰撞方面没有统一的标准。因此，各大车企要使用ANSYS等软件对其进行仿真轻量化设计，细致分析电池箱体的刚度结构、材料强度、材料疲劳度等，并对轻量化后的动力电池箱体进行必要的安全碰撞分析，全面提升汽车的安全性。表3为我国汽车轻量化阶段目标。

4.2材料轻量化

轻量化材料是指密度较低、强度较高，且具备一定承重性的材料，镁合金、铝合金、高强度钢、碳纤维等是目前常用的轻量化材料。根据电池箱体的结构，电池箱体上盖不会承受侧面与底面带来的压力，对整个电池组的质量不会发挥任何作用，其只具有一定的密封性。如果下箱体拥有一定的强度，那么上盖就能够采用PP基材增强塑料，可减重约50%。如奇瑞EQ1就使用全铝车身，电池箱体的上盖采用PP+LGF材料，从而实现减重的目的。

很多学者对碳纤维材料动力电池箱体的设计进行分析，发现碳纤维电池箱体对减重具有显著的成效，根据其占据的具体比重来看，可达52.17%，动态性能与静态性能都满足相关要求。另一方面，碳纤维的成本高，而PP、PA基材料的强度总体上比较低。目前，上盖使用SMC复合材料模压而成，能减重25%左右，而铝合金箱体的高度会在一定程度上降低，进而使箱体的质量减少。如现代汽车公司就以PA6为基材，加入碳纤维和玻璃纤维，来减少动力电池箱体的重量（可减重31%），刚度与强度也能达到相关要求。

4.3底盘和电池包箱体的集成化

动力电池箱体与其底盘的安装位置能够重合，这是动力电池增重的核心因素，底盘与动力电池包箱体的协同优化设计对电动汽车轻量化研究具有重要意义。

宁德时代在公司技术规划中提出，在2022—2023年，电池包的能量密度要达到230～260 W·h/Kg，这要与整车厂建立友好的合作关系，对新型电池箱体构件进行开发。

美国能源局与Stanford大学对纯电动汽车底盘-动力电池项目进行系统分析，可把电池箱体和底盘结合在一起，整车质量至少降低40%，并对底盘以及相关部件结构加以优化。

特斯拉Model 3电池包具有极强的创新性（见图5），采用3.2 mm铝板冲压后成型为2 150 mm×1450 mm×103 mm的下托盘，使用0.8 mm冲压钢板做上盖，通过螺纹连接与点焊法，把动力电池的上盖和下托盘整合到一起，从而形成一个完整的整体。电池包重量下降到478 kg，与80.5 kW·h的Model S相比，减重约15%。

5结论

根据现有新能源汽车轻量化研究来看，对电池箱体轻量化展开系统分析尤为重要。可通过优化箱体结构、使用高强度复合材料等方式，实现电池箱体的轻量化。随着时代的进步，电池箱体和底盘集成朝着一体化方向发展，把电芯安装在底盘中，这样使整车的弯曲强度与扭曲刚度能得到充分的满足，从而对整车的质量展开系统控制。

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