新能源汽車電池包箱體結(jié)構(gòu)的輕量化研究現(xiàn)狀

1前言電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)械和電氣相結(jié)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)及使用壽命。隨著電動(dòng)汽車對(duì)高能量密度和短時(shí)間充電的迫切需求，三元正極材料、快速充電技術(shù)的應(yīng)用使鋰離子電池極易發(fā)生機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用，進(jìn)而導(dǎo)致電池系統(tǒng)熱失控和整車起火爆炸，故動(dòng)力鋰離子電池已成為新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。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[6]。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(mén)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。表1部分乘用車電池包箱體材料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%。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。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。利用連續(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。圖1不同材料制成的電池包箱體結(jié)構(gòu)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。圖2車用電池包箱體結(jié)構(gòu)示意1.上箱蓋2.電池組3.電池托盤(pán)4.下殼體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[18]。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)。圖3純電動(dòng)汽車電池包結(jié)構(gòu)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。表2全球知名電動(dòng)汽車的電池包排列方式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(jì)有關(guān)。對(duì)于下箱體碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因道路的復(fù)雜性和碰撞形式的多樣性，不能保證設(shè)計(jì)出不可穿透的下箱體結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電池包箱體碰撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。通過(guò)選擇不同材料和厚度的鋁合金箱體對(duì)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(wú)關(guān)。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(duì)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(shí)滿足輕量化設(shè)計(jì)理念，具有局部加強(qiáng)筋的加強(qiáng)板也受到關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，如：黃娜[28]對(duì)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；對(duì)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(jì)方案；針對(duì)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(shí)不易變形，同時(shí)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(jì)時(shí)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(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)如表3所示。表3部分新能源汽車電池包下殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.3電池包箱體輕量化優(yōu)化方法研究為了在較短時(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)，輔助完成產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)[31]。國(guó)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(duì)性研究，如：采用有限元優(yōu)化軟件OptiStruct對(duì)電動(dòng)汽車電池包箱體的形貌進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功減小了電池包箱體的壁厚，使整體質(zhì)量減輕了20%；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%；利用鋁合金對(duì)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；開(kāi)發(fā)了一種碳纖維編織布的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)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%；利用CAE有限元分析方法對(duì)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%；用高強(qiáng)鋼和鋁合金對(duì)電池包箱體進(jìn)行材料替換，并對(duì)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[38]通過(guò)多材料并用和優(yōu)化流程的方法，利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)、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)[39-41]也使用CAE技術(shù)對(duì)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[42]。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(dòng)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(kāi)發(fā)的鋁合金大部件真空壓鑄技術(shù)[43]、北京有色金屬研究院的鋁合金半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)[44]，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(jì)未來(lái)會(huì)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(shù)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(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，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(lái)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(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[46]。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(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了研究。Schmerler等[48]在不損傷纖維材料的情況下，利用膠接等方式對(duì)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[49]利用鎢極惰性氣體保護(hù)（TungstenInertGas，TIG）焊對(duì)某國(guó)產(chǎn)5052鋁合金電池包箱體成功完成了密封焊接。徐治勤等[50]利用流鉆螺釘（FlowDrillScrew，F(xiàn)DS）工藝對(duì)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[51]系統(tǒng)分析了國(guó)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(duì)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(duì)性地選擇適合的連接方式。對(duì)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(guó)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?！皺C(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(shí)使得連接具有良好的穩(wěn)定性[52]。中國(guó)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(qǐng)了多項(xiàng)專利[53-54]。

5動(dòng)力電池包的標(biāo)準(zhǔn)和性能評(píng)價(jià)方法電動(dòng)汽車電池包的安全性越來(lái)越受到人們的重視，由于電池包的種類繁多，且電動(dòng)汽車使用環(huán)境各異，國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池包相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容也各有不同。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[55]。安全性是制約電池包應(yīng)用的關(guān)鍵因素，各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)在安全性評(píng)價(jià)方法方面都有明確的規(guī)定[56-62]，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[63]。中國(guó)在2015年相繼制定了6項(xiàng)動(dòng)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(dòng)力電池包的類型[64]。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池包安全性測(cè)試的內(nèi)容如表4所示。表4國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池安全性測(cè)試的差異[65]注：“√”表示涉及該測(cè)試內(nèi)容；“×”表示未涉及該測(cè)試內(nèi)容。由表4可以看出，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)試內(nèi)容和覆蓋范圍方面均有所不同，評(píng)測(cè)的主要對(duì)象以電池單體、電池模塊和電池包系統(tǒng)為主。在安全性測(cè)試方面，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB∕T