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新能源汽车电池包箱体结构的轻量化研究现状
2021-09-12 12:24:14· 来源：电动学堂 作者：蔡扬扬等
3.2电池包下箱体结构
电池包下箱体作为电池包系统的承载部件，内部结构和布局直接影响电池包的使用寿命。下箱体内部布局与其耐撞结构、加强筋和内部模组隔板设计有关。对于下箱体碰撞结构设计，因道路的复杂性和碰撞形式的多样性，不能保证设计出不可穿透的下箱体结构，国内外学者对电池包箱体碰撞结构进行了相关研究。
杨威通过选择不同材料和厚度的铝合金箱体对电池包结构抗压性能和电池局部变形进行验证，结果表明，电池包箱体底板的失效位移与板厚无关。Rawlinson在专利中指出，双层防护板和泡沫夹层板的电池包箱体具有良好的防撞效果。此外，也有学者建立了电池包箱体有限元模型，并对其正面和侧面碰撞的安全性能进行分析，普遍认为下箱体碰撞结构选择吸能的三明治结构和双层结构，能提高电池包下箱体的碰撞安全性。
为避免压缩和冲击变形的破坏，同时满足轻量化设计理念，具有局部加强筋的加强板也受到关注。国内外学者对其进行了研究，如：黄娜对钣金件加强筋结构进行了优化，使支撑板的刚度较大幅度提升；段昀辉等对车身钣金件不同区域加强筋进行优化，得到了加强筋最优设计方案；Afonso等针对变厚度板壳进行优化，得到了加强筋的布局和形貌。电池包箱体设置加强筋，使箱体受力时不易变形，同时固定了电池组阵列，提高抗弯扭强度，改善了其抗失衡能力。加强筋设计时应充分考虑其截面、起筋方向和排布，在保证箱体刚度的前提下，尽可能降低其在电池箱内部的空间占有率。
新能源汽车电池组多为2层或多层排布，电池箱内常设有隔板以实现电池包各层的安装固定。隔板设计时应考虑其与箱体、连接结构间的稳定性，在保证隔板刚度的条件下，尽可能减轻质量。目前电池箱体的内部多以贯通的截面梁和管、管状梁方式布置，多个横梁、纵梁将电池包内部分为多个电池模组的安装区域。部分新能源汽车电池包下壳体内部结构如表3所示。
3.3电池包箱体轻量化优化方法研究
为了在较短时间内开发出性能优良且稳定的产品，研发阶段不仅要使用传统试验技术，还常利用有限元仿真技术，辅助完成产品的优化设计。国内外学者在电池包箱体轻量化仿真优化上也进行了针对性研究，如：Hartmann等采用有限元优化软件OptiStruct对电动汽车电池包箱体的形貌进行优化设计，成功减小了电池包箱体的壁厚，使整体质量减轻了20%；Wang等建立了电池包有限元模型，进行多目标拓扑优化，确立了材料的最优分布，使电池包箱体质量减轻了10%；Kaleg等利用铝合金对电池包板厚进行优化，并得到最佳质量的电池包箱体；LIU等开发了一种碳纤维编织布的优化设计方法，通过多尺度参数优化，在满足性能要求的前提下使得复合材料电池包箱体质量减轻了22%；张宇等利用CAE有限元分析方法对电池包箱体下板进行形貌优化，使电池箱体结构力学特性更合理，质量减轻了61.39%；陈球胜用高强钢和铝合金对电池包箱体进行材料替换，并对箱体的厚度进行多目标优化，成功使箱体质量减轻了25.5%；兰凤崇等通过多材料并用和优化流程的方法，利用试验设计、模拟拟合和遗传算法优化系统结构，在保证性能的前提下，使电池包箱体质量减轻了47.3%。此外，湖南大学也使用CAE技术对电池包箱体不同部位进行优化，实现了不同程度的轻量化效果。
4电池包箱体制造技术轻量化
制造技术是决定电池包箱体能否商业化的重要途径，电池包箱体的一次成型技术和连接技术也是实现其轻量化的重要手段。从箱体的成型技术和连接技术两方面进行优化，在一定程度上也能减轻电池包的自重。
4.1电池包箱体成型技术
电池包箱体的成型技术主要根据其选用的材料决定，目前多以铝板和纤维增强材料作为电池包箱体用材料，不同企业采用的成型技术也有所不同。铝板主要的成型技术为冲压铝焊接、挤出铝搅拌摩擦和铸造等。
在不改变箱体强度的条件下，特斯拉Model系列和宝马i3利用冲压铝焊接工艺，使箱体质量减轻了40%；大众GolfGTE插电混动版和宝马X5电池包箱体都利用铸造成型工艺制造而成。还有一些新的铝合金成型技术，如上海交通大学开发的铝合金大部件真空压铸技术、北京有色金属研究院的铝合金半固态流压铸技术，后者的成本只稍高于常规压铸，并能实现35%~48%的轻量化效果，在汽车零部件中的应用十分广泛，预计未来会成为电池包箱体的主要制造工艺。
复合材料成型工艺众多，如热压罐、树脂传递模塑成型（ResinTransferMolding，RTM）、真空导入、注射、挤压和喷射等。生产和制造过程中，可根据零部件特征、成本和选用的复合材料类型选择最合适的制造工艺，目前常采用注射一次成型的方式生产纤维增强复合材料电池包箱体。碳纤维增强复合材料目前只在部分车型中使用，其材料和制造成本下降到一定程度后，碳纤维复合材料箱体将是未来新能源汽车电池包箱体的主流。
4.2电池包箱体连接技术
目前电池包箱体由纯金属箱体向金属-复合材料混合型箱体过渡，以异种材料的组合为主要形式。异种材料连接成的复合结构的最大优点是抗疲劳性、耐腐蚀性和轻量化性较好，尤其是轻量化方面。不同材料间的主要连接方式为胶接、机械连接和混合连接。
目前新能源汽车箱体以铝材或混合材料为主，多以紧固件连接形式进行固定连接，铝制箱体与车身的连接对稳定性要求较高，主要用搭铁螺栓、铆接并配合加强筋进行连接。在电池包箱体自身连接技术上，国内外学者也进行了研究。
Schmerler等在不损伤纤维材料的情况下，利用胶接等方式对三明治结构电池包箱体各部分实现了良好的连接。赵河林利用钨极惰性气体保护（TungstenInertGas，TIG）焊对某国产5052铝合金电池包箱体成功完成了密封焊接。徐治勤等利用流钻螺钉（FlowDrillScrew，FDS）工艺对某款铝合金电池包箱体进行连接，实现了铝合金箱体板材间的有效连接。李红等系统分析了国内外电池包箱体连接技术研究成果，并提出了紧固件是目前电池包箱体连接的主要形式，对一些特定材料需采用激光焊接进行密封。异种材料间的连接需要根据其连接部位、刚强度要求有针对性地选择适合的连接方式。
对于电池包箱体与车身的连接形式，各企业采用的方法也不尽相同，目前国内外研究成果较少。以碳纤维箱体为例，箱体与车身的连接处常使用金属接头，接头与材料主体结构层采用胶接辅助粘接，以混合连接的方式进行固定。“机械固定+胶接”混合连接的方式，也可以有效提高轻型构件和车身结构的疲劳强度、扭转刚度和耐撞性，轻量化的同时使得连接具有良好的稳定性。中国的汽车相关企业在电池包箱体和车身的连接工艺上也申请了多项专利。
5动力电池包的标准和性能评价方法
目前，关于动力电池包的标准主要由欧盟、国际标准化组织、中国、美国和德国等制定。安全性是制约电池包应用的关键因素，各国的标准在安全性评价方法方面都有明确的规定，评价的主要内容围绕机械安全（振动、冲击和跌落等）、环境安全（热冲击和热稳定性）和电气安全（短路和过充放电）3个方面。中国在2015年相继制定了6项动力电池新标准，其中有3项标准（GB/T31484、GB/T31485和GB/T31486）不再局限于锂离子电池，而是包含了所有动力电池包的类型。国内外标准对电池包安全性测试的内容如表4所示。
由表4可以看出，国内外标准在测试内容和覆盖范围方面均有所不同，评测的主要对象以电池单体、电池模块和电池包系统为主。
在安全性测试方面，中国标准GB/T31467.3—2015增加了盐雾和低气压测试碰撞测试，中国标准在环境安全性检测评价的内容上要多于国外标准，而欧盟标准IEC62660.3:2016和美国标准UL2580-2013在热稳定性方面则有详细说明，特别地，在温升测试中，美国标准UL2580-2013还针对电池包外壳和关键零部件对温度的耐受力进行了测试，并对电池包外壳体表面开口的设计规范进行了说明，其他标准则没有相关规定。
此外，国内外标准在动力电池包的性能评价上侧重点各有不同，且都没有提出电池包安全时效性的性能评价方法，故需结合电池应用情况，制定电池包全周期性能评价体系，以满足电动汽车电池包不断发展的需求。
6结束语
综合国内外电池包箱体所用材料和结构来看，在材料的选择上：若选择金属作为箱体材料，制造工艺非一次成型，需要进行后续焊接加固等步骤，增加了电池包的质量；若选择复合材料，则需要平衡电池包箱体的制造成本、刚强度和疲劳耐久等性能。
目前电池包箱体主要以铝合金下箱体和SMC复合材料上盖为主，混合材料箱体结构将是主要的发展趋势。在结构设计上，电池包箱体需考虑空间、密封、散热和碰撞安全性能等因素，同时需要保证电池包箱体上、下结构连接和整个箱体与车身连接的可靠性，综合车身-底盘电池包结构一体化和电池包箱体轻量化所用材料将是两大重要的轻量化发展方向。此外，电池包的性能测试评价的标准应增加整车级别和全生命周期的综合性验证。
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