動(dòng)力電池包輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

宋孝炳 林志宏

摘 要在整車電量一定的情況下，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程一直是用戶重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)之一，而電動(dòng)汽車用電池包作為三電系統(tǒng)中的核心部件，其輕量化的設(shè)計(jì)直接影響整車的續(xù)航里程。實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池包輕量化設(shè)計(jì)主要有兩種途徑：提高單體電芯的能量密度，優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文主要是針對(duì)第二種方式進(jìn)行闡述輕量化設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞電池包;輕量化;續(xù)航里程

節(jié)能減排是汽車行業(yè)的熱門話題，汽車輕量化設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能。與傳統(tǒng)汽車相比，電動(dòng)汽車用的電池質(zhì)量能量密度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)汽車用的石化燃料[1]，電池包作為電動(dòng)汽車中最重要的三電部件之一，其質(zhì)量在整車中也占有很大的比重，而在不改變電池系統(tǒng)電量的前提下，電池系統(tǒng)質(zhì)量降低可以有效的提高續(xù)航里程。有數(shù)據(jù)表明，電動(dòng)汽車質(zhì)量減10%能提高續(xù)航里程5.5%[2]。因此，新能源汽車對(duì)輕量化設(shè)計(jì)更加敏感，直接影響到終端用戶的體驗(yàn)度和滿意度。電動(dòng)汽車電池包的輕量化研究是新能源汽車輕量化的主要研究?jī)?nèi)容之一，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池包的輕量化主要有兩種途徑：一是提高單體電芯質(zhì)量能量密度，二是優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新材料的選型。

1 動(dòng)力電池包輕量化設(shè)計(jì)思路

動(dòng)力電池包的主要組成部分就是電池及相關(guān)結(jié)構(gòu)輔件，目前單體電芯大多數(shù)為鋰離子電池，其主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、銅箔等組成，動(dòng)力電池包對(duì)電芯進(jìn)行相關(guān)的串并聯(lián)組合方式實(shí)現(xiàn)不同的電壓和能量，過(guò)重的電池包對(duì)整車?yán)m(xù)航能力影響極大。因此，對(duì)電池包高比能量的研究是新能源汽車目前的主要研究方向之一，也是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車輕量化的主要途徑，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池包輕量化可從兩個(gè)方向開展：提高單體電芯的能量密度，對(duì)電池包相關(guān)輔件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 提高單體電芯的能量密度

目前應(yīng)用在新能源車上的動(dòng)力電池主要以磷酸鉄鋰和三元材料為正極材料為主，已經(jīng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，磷酸鐵鋰電池由于其物理特性導(dǎo)致安全性能和循環(huán)壽命較三元電池好，國(guó)內(nèi)很多電池廠商都選擇此種類型電池，以電池廠商合肥國(guó)軒為代表，主要在客車和專用車上為主，其單體比能量一般在120Wh/kg-170Wh/kg之間，但合肥國(guó)軒已經(jīng)做到190Wh/kg以上的質(zhì)量能量密度，對(duì)電池包的輕量化作用明顯。三元材料由于其單體能量密度較高，一般可達(dá)到180Wh/kg-210Wh/kg之間，很適合乘用車的應(yīng)用場(chǎng)合，更能滿足用戶對(duì)續(xù)航里程的要求，故三元鋰電池的應(yīng)用量也逐漸提升，以電池廠商寧德時(shí)代、力神為主。為滿足電池包輕量化設(shè)計(jì)的要求，在選擇合適的化學(xué)體系材料種類以后，優(yōu)先采用高容量的正極材料、高容量的負(fù)極材料、提高極片中活性物質(zhì)占比、減輕電芯輔材質(zhì)量，盡最大可能在滿足整車能量的前提下，在保證整車安全性的前提下，選擇較大比能量的電芯材質(zhì)。

1.2 電池包相關(guān)輔件的輕量化設(shè)計(jì)

減輕電池包相關(guān)輔件質(zhì)量是在電芯規(guī)格參數(shù)確定的情況下，提升系統(tǒng)能量密度的最有效措施，也是考量電池包輕量化設(shè)計(jì)是否合理的重要指標(biāo)之一。電池包是電池系統(tǒng)的重要部件，是電池的載體，對(duì)保護(hù)電池安全和人員安全起到關(guān)鍵的作用，電池包設(shè)計(jì)需要滿足密封性能、防腐性能、防老化性能、抗振性能、耐沖擊和碰撞等相關(guān)性能[4-5]。電池包中的結(jié)構(gòu)輔件主要有電池箱體、箱蓋、塑料件、串聯(lián)排等相關(guān)部件，只有對(duì)這些零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和材質(zhì)選型、制造工藝優(yōu)化才能在降低質(zhì)量的同時(shí)，提高整車的續(xù)航里程要求。其實(shí)現(xiàn)途徑為：

1.2.1 電池箱體的材料選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)

新能源行業(yè)在2016年之前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求較低，為了降低成本，電池包電池箱大多采用普通碳鋼作為電芯載體，在輕量化要求逐漸提高的情況下，現(xiàn)在逐步采用高強(qiáng)度鋼、鋁合金、復(fù)合材料等材質(zhì)。高強(qiáng)度鋼是指屈服強(qiáng)度在210-550MPa之間的鋼材，在相同強(qiáng)度要求的前提下，使用高強(qiáng)度鋼可以有效降低電池箱的重量，實(shí)現(xiàn)電池包的輕量化，如目前客車標(biāo)準(zhǔn)箱，大多采用高強(qiáng)度鋼沖壓的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)箱體的設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)強(qiáng)度要求，保護(hù)電池組的同時(shí)，電池包重量較輕，能夠達(dá)到輕量化的目的。鋁合金密度低，強(qiáng)度較高，沖擊性好，塑性好，耐腐蝕性較好，可加工成各種形狀的型材，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，相比鋼材，鋁合金的重量較低，目前的乘用車箱體大多采購(gòu)此種材質(zhì)，如蔚來(lái)ES6電池箱體;但是鋁合金的焊接工藝性較差，材料價(jià)格較高，因此，在鋁合金批量應(yīng)用之前，改善鋁合金的成型工藝和降低材料成本是輕量化設(shè)計(jì)急需解決的問(wèn)題。復(fù)合材料是指兩種或兩種以上的材料組合所組成的新材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和耐腐蝕、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，在汽車行業(yè)和航空領(lǐng)域某些零部件將取代金屬合金，復(fù)合材料按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為夾層復(fù)合材料、纖維復(fù)合材料，其中使用最大的是纖維復(fù)合材料，對(duì)電池箱質(zhì)量的減輕較為明顯，針對(duì)奇瑞微面的電池箱體使用有限元軟件分析對(duì)鋁合金和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料兩種材料的電池箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，電池箱體承載能力沒(méi)有降低的情況下，質(zhì)量減少30%左右，且復(fù)合材料由于是模具件，產(chǎn)品的一致性較高，品質(zhì)管控較好。

1.2.2 塑料件的材料選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于模組的設(shè)計(jì)，盡量摒棄現(xiàn)存較多的ABS+PC材料的模組框結(jié)構(gòu)，材質(zhì)可以選擇較好的PP或者PE，同樣形狀的前提下，重量減少10%以上，可滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。模組框存在重量較重且不容易散熱等缺陷，容易導(dǎo)致高溫報(bào)警，并且在當(dāng)前行業(yè)快速發(fā)展的情形下，生產(chǎn)效率低下，也是其將被淘汰的重要原因。

現(xiàn)所研究的模組，也是將推廣的標(biāo)準(zhǔn)模組都是在自動(dòng)化生產(chǎn)線上操作，生產(chǎn)效率較高，采用打包帶預(yù)緊，鋁合金端板、上蓋板壓緊后，螺栓固定，整體結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度較高。

1.2.3 串聯(lián)排的材料選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)

串連排作為電池包高壓串并聯(lián)的重要部件，對(duì)其進(jìn)行材料優(yōu)選和優(yōu)化設(shè)計(jì)可以達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)。高壓連接使用較多的銅連接片，高壓連接性能較好，但是目前將逐漸被鋁連接片所代替，在滿足過(guò)流能力的前提下，質(zhì)量更輕，成本更低。并且盡量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，考慮整車電池最大電流，不要冗余設(shè)計(jì)，造成不必要的浪費(fèi)。

一般銅的安全載流量為5-8A/mm2，鋁的安全載流量為3-5A/mm2，鋁的密度為銅的1/3左右，同樣過(guò)流要求的前提下，質(zhì)量可減少30%以上，價(jià)格也相對(duì)較低。

1.2.4 輕量化制造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

制造工藝與材料、結(jié)構(gòu)是息息相關(guān)的，需要找到相適應(yīng)的先進(jìn)工藝來(lái)共同實(shí)現(xiàn)輕量化[3]。從成形技術(shù)、連接技術(shù)和表面處理技術(shù)這個(gè)方面進(jìn)行分析，也能夠在一定程度上減輕電池系統(tǒng)的自重。如成形技術(shù)方面，復(fù)合材料采用注射、擠壓新型工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沖壓工藝;連接技術(shù)方面：某些受力不大場(chǎng)合的螺栓連接、焊接可以被粘接或者鉚接來(lái)代替;表面處理方面：利用某些復(fù)合材料本身的特性，不需要傳統(tǒng)工藝的復(fù)雜表面處理，不處理或者簡(jiǎn)單的表面噴涂來(lái)達(dá)到表面質(zhì)量要求。

2 總結(jié)

電動(dòng)電池包的輕量化設(shè)計(jì)是直接提高整車?yán)m(xù)航里程的重要措施，而電池輕量化途徑主要依靠提高單體電芯質(zhì)量能量密度和減少電池包輔件質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，在電池包能量已經(jīng)確認(rèn)的情況下，對(duì)電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料優(yōu)選，是輕量化必須要考慮的問(wèn)題。但是，面對(duì)新材料成本高、工藝不成熟等問(wèn)題，需要提高制造工藝水平來(lái)降低材料成本，提高材料利用率，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池包的輕量化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]史踐.電動(dòng)汽車與輕量化技術(shù)[J].汽車工藝與材料，2011.1：24-29.

[2]周路菡.汽車輕量化：助新能源汽車極致表現(xiàn)[J].新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016，4：55-59.

[3]范軍峰，馮奇，凌天均，等.汽車輕量化與制造工藝[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，7：141-143.

[4]GB/T 31467.3-2015電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包河系統(tǒng)第3部分安全性要求與測(cè)試方法.

[5]GB/T 4208-2017外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）.