動(dòng)力電池箱體輕量化技術(shù)綜述

侯迪

摘 要：動(dòng)力電池箱體是除了電芯之外的第二大組成部分，在動(dòng)力電池電芯能量密度沒有技術(shù)性突破的情況下，研究動(dòng)力電池箱體的輕量化對(duì)于電動(dòng)汽車的續(xù)航里程至關(guān)重要。本文系統(tǒng)的從動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料輕量化以及底盤電池箱體集成三個(gè)方面闡述，并對(duì)底盤—電池箱體系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)進(jìn)行了展望，認(rèn)為其是未來動(dòng)力電池箱體輕量化的一重要趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池箱體 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 輕量化材料 底盤—電池箱體集成

Overview of Lightweight Technology of Power Battery Box

Hou Di

Abstract：The power battery box is the second major component besides the battery cell. In the absence of technological breakthroughs in the energy density of the power battery cell， the research on the lightweight of the power battery box is very important for the range of electric vehicles. This paper systematically elaborates on the three aspects of power battery structure optimization， material lightweight and chassis battery box integration， and prospects for the integrated design of the chassis-battery box system， which is considered to be the future trend of the light weight of the power battery box.

Key words：power battery box， structural optimization， lightweight materials， chassis-battery box integration

《中國(guó)制造2025》中指出，節(jié)能與新能源汽車作為未來發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，國(guó)家繼續(xù)推進(jìn)汽車輕量化、低碳化、信息化、智能化等核心技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)自主品牌節(jié)能與新能源汽車同國(guó)際先進(jìn)水平接軌[1]。《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線2.0》指出，汽車產(chǎn)業(yè)碳排放總量先于國(guó)家減排承諾，在2028年要達(dá)到峰值，到2035年，碳排放總量較峰值下降20%。到2060年，中國(guó)碳排放總量降低到碳中和。到2035年新能源汽車將成為主流，占比50%，其中純電動(dòng)汽車占比95%。而在輕量化方面，2.0指出到2035年純電動(dòng)汽車輕量化系數(shù)降至35%[2]。純電動(dòng)汽車的輕量化研究已成為汽車行業(yè)的一項(xiàng)關(guān)鍵性研究課題。

1 動(dòng)力電池箱體

新能源汽車由于其技術(shù)的要求，造成了相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車增重的問題，相對(duì)于國(guó)外來說，我國(guó)電動(dòng)商用車增重15%-30%，電動(dòng)乘用車增重10%-15%，屬于一般較低水平，因此更需要對(duì)其進(jìn)行輕量化。

輕量化是在保證剛強(qiáng)度、模態(tài)和安全性能的前提下，通過現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法盡可能降低重量已達(dá)到輕量化的目的，在性能、減重和成本之間尋求平衡。

在電動(dòng)汽車各總成當(dāng)中，動(dòng)力電池系統(tǒng)的重量占據(jù)了整車重量的額30%，過重的動(dòng)力電池包極大的影響了電動(dòng)車的續(xù)航能力。《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》指出，2035年純電動(dòng)乘用汽車輕量化系數(shù)降低35%，同時(shí)將車輛輕量化系數(shù)、載質(zhì)量利用系數(shù)、掛牽比等作用衡量整車輕量化的依據(jù)。

動(dòng)力電池系統(tǒng)各主要部件中，質(zhì)量最大的是電芯本體，其次為電池箱體。在純電動(dòng)汽車中，電池箱體的輕量化也成為近年來研發(fā)的熱點(diǎn)。

對(duì)特斯拉Model 3動(dòng)力電池系統(tǒng)解體后各質(zhì)量部件進(jìn)行質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，電池箱體質(zhì)量占比9.5%，如圖1所示。

電池箱體是除了電芯之外的動(dòng)力電池的最重的部件，是電動(dòng)汽車高定制化的零部件。由于目前的純電動(dòng)汽車大多沿用傳統(tǒng)汽車平臺(tái)，動(dòng)力電池箱體作為一個(gè)整體，直接安裝汽車底盤下方的安裝支架上在有土字形、T字形、方形等。一般安裝在電池箱體分為上箱體蓋和下箱體，兩部分通過螺栓或者其他方式連接，中間結(jié)合面運(yùn)用IP67級(jí)別的密封膠墊密封。

2 動(dòng)力電池箱體的輕量化途徑

目前輕量化設(shè)計(jì)主要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料與先進(jìn)工藝等途徑來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)中，運(yùn)用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)，設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池箱體的整體布局和外形結(jié)構(gòu)，利用輕量化數(shù)據(jù)庫，對(duì)動(dòng)力電池箱體進(jìn)行工程分析和剛強(qiáng)度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池箱體的精簡(jiǎn)化、整體化和輕質(zhì)化。通過多目標(biāo)全局優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、逆向工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分塊以及多種輕量化材料的匹配等[3]。

由于目前國(guó)內(nèi)沒有統(tǒng)一制定新能源汽車的安全碰撞標(biāo)準(zhǔn)及其他安全指標(biāo)，汽車生產(chǎn)企業(yè)在運(yùn)用軟件ANSYS、CATIA等，對(duì)電池箱體的結(jié)構(gòu)剛度、材料疲勞強(qiáng)度進(jìn)行仿真輕量化設(shè)計(jì)，需要對(duì)于優(yōu)化后的動(dòng)力電池箱體進(jìn)行安全碰撞分析，進(jìn)而提高汽車的可靠性和安全性。

例如奧地利的Matthias Hartman[4] 等人，通過OptiStruct 對(duì)電動(dòng)車電池外殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地提高了自身剛度以及固有頻率，并通過減少壁厚，使電池外殼重量減輕了20%。北京理工大學(xué)王露，對(duì)動(dòng)力電池箱體進(jìn)行穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮形貌優(yōu)化技術(shù)以及加工工藝要求，提出了兩種電池箱體加強(qiáng)筋的布置方案，動(dòng)力電池箱體新結(jié)構(gòu)與原始結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)性能比較分析，表明兩種新結(jié)構(gòu)減重達(dá)7～10%，均實(shí)現(xiàn)了輕量化[5]。