【摘要】通過分析現有電池包箱體的研究狀況，對電池包箱體的材料選擇、結構設計和制造技術進行了梳理。在選材上，輕質合金箱體是目前電池包箱體輕量化的主要用材；在結構設計上，箱體的耐撞結構、加強筋和內部模組隔板是設計時考慮的重要因素。最后，提出車身-底盤電池包結構一體化、一次成型和連接技術輕量化將是電池包箱體結構設計的主要趨勢。

 

主題詞：電池包箱體 下殼體 結構設計 輕量化 新能源汽車

 

1 前言

 

電動汽車動力系統是一個機械和電氣相結合的復雜結構體，設計時應充分考慮其剛度、強度、振動及使用壽命。隨著電動汽車對高能量密度和短時間充電的迫切需求，三元正極材料、快速充電技術的應用使鋰離子電池極易發生機械濫用、電氣濫用和熱濫用，進而導致電池系統熱失控和整車起火爆炸，故動力鋰離子電池已成為新能源汽車動力系統領域研究的熱點和難點[1]。電池包箱體（殼體）是電池包的主要承載部件，只有箱體的靜、動態（剛強度、模態等）穩定，才能保證動力電池不出現濫用工況，使動力系統平穩運行[2]。本文針對新能源汽車電池包箱體輕量化途徑（材料選擇、結構設計和制造技術）的研究成果進行系統梳理，對主流電池包箱體輕量化技術進行闡述，并分析其研究重點和發展方向。

 

2 電池包箱體材料輕量化研究進展

 

電池包箱體材料應具備電絕緣性、高散熱性和化學穩定性等特點，箱體一般由上、下箱體和密封系統組成。電池包質量占整車系統質量的18%～30%，而箱體質量約占電池包總質量的10%～20%[3]。目前普遍使用金屬作為電池包箱體材料，復合材料由于其優異的比剛強度也逐漸受到重視。

 

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單、成本低，具有較好的導熱性、抗沖擊性和熱管理能力，為箱體的常用材料，但其主要缺點是質量較大[4]。隨著汽車輕量化設計理念的深入，鋁合金因密度小、剛強度大和壓鑄性能好等優點，逐漸成為實現汽車輕量化的主要材料，目前已經生產出鑄鋁電池箱、鋁板材電池箱和鋁型材電池箱等產品[5]。其中，鋁制電池包箱體的承載結構主要分為底板式和框架式[6]。大眾公司研究發現，框架承載式結構的箱體能滿足不同結構的強度要求，更易實現輕量化[7]。此外，金屬和塑料的結合也是實現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合材料（Sheet Molding Com?pound，SMC）和高強鋁?？紤]到成本、加工等因素，國內入門級和經濟型電動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 電池包箱體復合材料

 

電池包箱體使用的復合材料以碳纖維復合材料、玻璃纖維增強復合材料和SMC復合材料等輕量化材料為主，不同材料制成的電池包箱體結構如圖1所示，國內外學者對復合材料箱體也有針對性的研究。如Baumeister等[8]利用泡沫鋁復合三明治材料成功制成了能轉載20 kW·h 的電池包下殼體，并使下殼體質量減輕了10%～20%。Choi 等[9]以尼龍6（PA6）為基體，通過改變碳纖維和玻璃纖維的含量（纖維總摻加量不超過40%），在滿足強度、沖擊等性能的條件下，成功開發出相比普通鋼材質量減輕31%的增強塑料下殼體。毛占穩等[10]與一汽轎車共同開發碳纖維電池包箱體，成功將箱體質量由110 kg減輕到19 kg。碳纖維增強復合材料具有密度低、剛強度大等優點，已在電池包箱體中大量應用[11-13]。德國ICT化工技術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，該箱體質量35 kg，可承載340 kg的電池組，比同等規格鋼材質量減輕35%以上[14]。邵明頂等[15]利用連續玻璃纖維編織布作為基材，環氧乙烯基樹脂作為基體的玻璃纖維增強復合材料通過預浸料模壓成型工藝制作電池箱體，也實現了輕量化效果。

 

 

圖1 不同材料制成的電池包箱體結構

 

從上述國內外研究進展可以看出，電池包的輕量化研發和設計進程將會持續進行，但新材料、新工藝所帶來的制造成本較高，并不利于大規模應用。新能源汽車動力電池包箱體設計需要綜合考慮電池包的內部散熱、防水防塵和安全性問題，所以兼顧動力電池包的輕量化和其他各項性能平衡的設計將會是一項重要的挑戰。

 

3 電池包箱體結構輕量化研究

 

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個部分，結構如圖2所示。

 

 

圖2 車用電池包箱體結構示意

1.上箱蓋 2.電池組 3.電池托盤 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構主要有“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發平臺的影響，不同電池包結構如圖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構，使其能與乘員艙底板充分貼合，但上殼體靠近車身地板，地板部分結構也會與電池包箱體產生沖突，所以電池包布置時還應考慮與車身地板間的間隙等因素。在結構上對箱體所用沖壓材料的厚度進行了相應減薄，并配合外部凸筋進行組裝，簡化了電池包結構特征，減輕了質量，提高了電池包的密封性和可靠性[16-17]，但該電池組缺乏有效的電池熱管理系統，會降低極端環境下的使用性能[18]。在電池包箱體結構設計中，圖3d所示的“滑板”式電池包設計較為經典，電池包與車身底板融為一體，極大節約了使用的空間，且利用整車的框架對電池組進行保護，這種結構已成為電動汽車電池包設計的主要趨勢。

 

 

圖3 純電動汽車電池包結構

 

電動汽車電池包的布置方式需要根據汽車整體的空間結構和布局進行設計，離地間隙、驅動方式和載荷是需要考慮的重要因素[19-20]。隨著電池包技術的不斷突破，其布置方式也更加科學合理，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、提高整車操縱穩定性和優化碰撞傳力路徑，已經成為電池包布置的主要方式。

 

表2 全球知名電動汽車的電池包排列方式

 

 

3.2 電池包下箱體結構

 

電池包下箱體作為電池包系統的承載部件，內部結構和布局直接影響電池包的使用壽命。下箱體內部布局與其耐撞結構、加強筋和內部模組隔板設計有關。

 

對于下箱體碰撞結構設計，因道路的復雜性和碰撞形式的多樣性，不能保證設計出不可穿透的下箱體結構，國內外學者對電池包箱體碰撞結構進行了相關研究。楊威[21]通過選擇不同材料和厚度的鋁合金箱體對電池包結構抗壓性能和電池局部變形進行驗證，結果表明，電池包箱體底板的失效位移與板厚無關。Rawlinson[22]在專利中指出，雙層防護板和泡沫夾層板的電池包箱體具有良好的防撞效果。此外，也有學者建立了電池包箱體有限元模型，并對其正面和側面碰撞的安全性能進行分析，普遍認為下箱體碰撞結構選擇吸能的三明治結構和雙層結構，能提高電池包下箱體的碰撞安全性[23-25]。

 

為避免壓縮和沖擊變形的破壞，同時滿足輕量化設計理念，具有局部加強筋的加強板也受到關注[26-27]。國內外學者對其進行了研究，如：黃娜[28]對鈑金件加強筋結構進行了優化，使支撐板的剛度較大幅度提升；段昀輝等[29]對車身鈑金件不同區域加強筋進行優化，得到了加強筋最優設計方案；Afonso等[30]針對變厚度板殼進行優化，得到了加強筋的布局和形貌。電池包箱體設置加強筋，使箱體受力時不易變形，同時固定了電池組陣列，提高抗彎扭強度，改善了其抗失衡能力。加強筋設計時應充分考慮其截面、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，電池箱內常設有隔板以實現電池包各層的安裝固定。隔板設計時應考慮其與箱體、連接結構間的穩定性，在保證隔板剛度的條件下，盡可能減輕質量。目前電池箱體的內部多以貫通的截面梁和管、管狀梁方式布置，多個橫梁、縱梁將電池包內部分為多個電池模組的安裝區域。部分新能源汽車電池包下殼體內部結構如表3所示。

 

表3 部分新能源汽車電池包下殼體內部結構

 

 

3.3 電池包箱體輕量化優化方法研究

 

為了在較短時間內開發出性能優良且穩定的產品，研發階段不僅要使用傳統試驗技術，還常利用有限元仿真技術，輔助完成產品的優化設計[31]。國內外學者在電池包箱體輕量化仿真優化上也進行了針對性研究，如：Hartmann 等[32]采用有限元優化軟件OptiStruct 對電動汽車電池包箱體的形貌進行優化設計，成功減小了電池包箱體的壁厚，使整體質量減輕了20%；Wang等[33]建立了電池包有限元模型，進行多目標拓撲優化，確立了材料的最優分布，使電池包箱體質量減輕了10%；Kaleg等[34]利用鋁合金對電池包板厚進行優化，并得到最佳質量的電池包箱體；LIU 等[35]開發了一種碳纖維編織布的優化設計方法，通過多尺度參數優化，在滿足性能要求的前提下使得復合材料電池包箱體質量減輕了22%；張宇等[36]利用CAE有限元分析方法對電池包箱體下板進行形貌優化，使電池箱體結構力學特性更合理，質量減輕了61.39%；陳球勝[37]用高強鋼和鋁合金對電池包箱體進行材料替換，并對箱體的厚度進行多目標優化，成功使箱體質量減輕了25.5%；蘭鳳崇等[38]通過多材料并用和優化流程的方法，利用試驗設計、模擬擬合和遺傳算法優化系統結構，在保證性能的前提下，使電池包箱體質量減輕了47.3%。此外，湖南大學[39-41]也使用CAE技術對電池包箱體不同部位進行優化，實現了不同程度的輕量化效果。

 

4 電池包箱體制造技術輕量化

 

制造技術是決定電池包箱體能否商業化的重要途徑，電池包箱體的一次成型技術和連接技術也是實現其輕量化的重要手段。從箱體的成型技術和連接技術兩方面進行優化，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

 

電池包箱體的成型技術主要根據其選用的材料決定，目前多以鋁板和纖維增強材料作為電池包箱體用材料，不同企業采用的成型技術也有所不同。鋁板主要的成型技術為沖壓鋁焊接、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，使箱體質量減輕了40%；大眾Golf GTE 插電混動版和寶馬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，如上海交通大學開發的鋁合金大部件真空壓鑄技術[43]、北京有色金屬研究院的鋁合金半固態流變壓鑄技術[44]，后者的成本只稍高于常規壓鑄，并能實現35%～48%的輕量化效果，在汽車零部件中的應用十分廣泛，預計未來會成為電池包箱體的主要制造工藝。

 

復合材料成型工藝眾多，如熱壓罐、樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）、真空導入、注射、擠壓和噴射等[45]。生產和制造過程中，可根據零部件特征、成本和選用的復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纖維增強復合材料電池包箱體。碳纖維增強復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，碳纖維復合材料箱體將是未來新能源汽車電池包箱體的主流。

 

4.2 電池包箱體連接技術

 

目前電池包箱體由純金屬箱體向金屬-復合材料混合型箱體過渡，以異種材料的組合為主要形式。異種材料連接成的復合結構的最大優點是抗疲勞性、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、機械連接和混合連接[47]。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行固定連接，鋁制箱體與車身的連接對穩定性要求較高，主要用搭鐵螺栓、鉚接并配合加強筋進行連接。在電池包箱體自身連接技術上，國內外學者也進行了研究。Schmerler 等[48]在不損傷纖維材料的情況下，利用膠接等方式對三明治結構電池包箱體各部分實現了良好的連接。趙河林[49]利用鎢極惰性氣體保護（Tungsten Inert Gas，TIG）焊對某國產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（Flow Drill Screw，FDS）工藝對某款鋁合金電池包箱體進行連接，實現了鋁合金箱體板材間的有效連接。李紅等[51]系統分析了國內外電池包箱體連接技術研究成果，并提出了緊固件是目前電池包箱體連接的主要形式，對一些特定材料需采用激光焊接進行密封。異種材料間的連接需要根據其連接部位、剛強度要求有針對性地選擇適合的連接方式。

 

對于電池包箱體與車身的連接形式，各企業采用的方法也不盡相同，目前國內外研究成果較少。以碳纖維箱體為例，箱體與車身的連接處常使用金屬接頭，接頭與材料主體結構層采用膠接輔助粘接，以混合連接的方式進行固定。“機械固定+膠接”混合連接的方式，也可以有效提高輕型構件和車身結構的疲勞強度、扭轉剛度和耐撞性，輕量化的同時使得連接具有良好的穩定性[52]。中國的汽車相關企業在電池包箱體和車身的連接工藝上也申請了多項專利[53-54]。

 

5 動力電池包的標準和性能評價方法

 

電動汽車電池包的安全性越來越受到人們的重視，由于電池包的種類繁多，且電動汽車使用環境各異，國內外動力電池包相關標準的內容也各有不同。目前，關于動力電池包的標準主要由歐盟、國際標準化組織、中國、美國和德國等制定[55]。安全性是制約電池包應用的關鍵因素，各國的標準在安全性評價方法方面都有明確的規定[56-62]，評價的主要內容圍繞機械安全（振動、沖擊和跌落等）、環境安全（熱沖擊和熱穩定性）和電氣安全（短路和過充放電）3 個方面[63]。中國在2015年相繼制定了6項動力電池新標準，其中有3項標準（GB∕T 31484、GB∕T 31485和GB∕T 31486）不再局限于鋰離子電池，而是包含了所有動力電池包的類型[64]。國內外標準對電池包安全性測試的內容如表4所示。

 

表4 國內外標準對電池安全性測試的差異[65]

 

 

注：“√”表示涉及該測試內容；“×”表示未涉及該測試內容。

 

由表4可以看出，國內外標準在測試內容和覆蓋范圍方面均有所不同，評測的主要對象以電池單體、電池模塊和電池包系統為主。在安全性測試方面，中國標準GB∕T 31467.3—2015 增加了鹽霧和低氣壓測試碰撞測試，中國標準在環境安全性檢測評價的內容上要多于國外標準，而歐盟標準IEC 62660.3:2016 和美國標準UL 2580-2013 在熱穩定性方面則有詳細說明，特別地，在溫升測試中，美國標準UL 2580-2013 還針對電池包外殼和關鍵零部件對溫度的耐受力進行了測試，并對電池包外殼體表面開口的設計規范進行了說明，其他標準則沒有相關規定。

 

此外，國內外標準在動力電池包的性能評價上側重點各有不同，且都沒有提出電池包安全時效性的性能評價方法，故需結合電池應用情況，制定電池包全周期性能評價體系，以滿足電動汽車電池包不斷發展的需求。

 

6 結束語

 

綜合國內外電池包箱體所用材料和結構來看，在材料的選擇上：若選擇金屬作為箱體材料，制造工藝非一次成型，需要進行后續焊接加固等步驟，增加了電池包的質量；若選擇復合材料，則需要平衡電池包箱體的制造成本、剛強度和疲勞耐久等性能。目前電池包箱體主要以鋁合金下箱體和SMC 復合材料上蓋為主，混合材料箱體結構將是主要的發展趨勢。在結構設計上，電池包箱體需考慮空間、密封、散熱和碰撞安全性能等因素，同時需要保證電池包箱體上、下結構連接和整個箱體與車身連接的可靠性，綜合車身-底盤電池包結構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展方向。此外，電池包的性能測試評價的標準應增加整車級別和全生命周期的綜合性驗證。

 

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