论文部分内容阅读
摘 要：动力电池箱体是除了电芯之外的第二大组成部分，在动力电池电芯能量密度没有技术性突破的情况下，研究动力电池箱体的轻量化对于电动汽车的续航里程至关重要。本文系统的从动力电池的结构优化、材料轻量化以及底盘电池箱体集成三个方面阐述，并对底盘—电池箱体系统集成化设计进行了展望，认为其是未来动力电池箱体轻量化的一重要趋势。
关键词：动力电池箱体 结构优化 轻量化材料 底盘—电池箱体集成
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
《中国制造2025》中指出，节能与新能源汽车作为未来发展的十大领域之一，国家继续推进汽车轻量化、低碳化、信息化、智能化等核心技术的发展，推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨[1]。《节能与新能源汽车技术路线2.0》指出，汽车产业碳排放总量先于国家减排承诺，在2028年要达到峰值，到2035年，碳排放总量较峰值下降20%。到2060年，中国碳排放总量降低到碳中和。到2035年新能源汽车将成为主流，占比50%，其中纯电动汽车占比95%。而在轻量化方面，2.0指出到2035年纯电动汽车轻量化系数降至35%[2]。纯电动汽车的轻量化研究已成为汽车行业的一项关键性研究课题。
1 动力电池箱体
新能源汽车由于其技术的要求，造成了相对于传统燃油车增重的问题，相对于国外来说，我国电动商用车增重15%-30%，电动乘用车增重10%-15%，属于一般较低水平，因此更需要对其进行轻量化。
轻量化是在保证刚强度、模态和安全性能的前提下，通过现代优化设计方法尽可能降低重量已达到轻量化的目的，在性能、减重和成本之间寻求平衡。
在电动汽车各总成当中，动力电池系统的重量占据了整车重量的额30%，过重的动力电池包极大的影响了电动车的续航能力。《节能与新能源汽车技术路线图》指出，2035年纯电动乘用汽车轻量化系数降低35%，同时将车辆轻量化系数、载质量利用系数、挂牵比等作用衡量整车轻量化的依据。
动力电池系统各主要部件中，质量最大的是电芯本体，其次为电池箱体。在纯电动汽车中，电池箱体的轻量化也成为近年来研发的热点。
对特斯拉Model 3动力电池系统解体后各质量部件进行质量统计，电池箱体质量占比9.5%，如图1所示。
电池箱体是除了电芯之外的动力电池的最重的部件，是电动汽车高定制化的零部件。由于目前的纯电动汽车大多沿用传统汽车平台，动力电池箱体作为一个整体，直接安装汽车底盘下方的安装支架上在有土字形、T字形、方形等。一般安装在电池箱体分为上箱体盖和下箱体，两部分通过螺栓或者其他方式连接，中间结合面运用IP67级别的密封胶垫密封。
2 动力电池箱体的轻量化途径
目前轻量化设计主要通过结构优化、轻量化材料与先进工艺等途径来实现，如图2所示。
2.1 结构优化
在现代汽车产业中，运用CAD/CAE/CAM一体化技术，设计纯电动汽车动力电池箱体的整体布局和外形结构，利用轻量化数据库，对动力电池箱体进行工程分析和刚强度计算，实现动力电池箱体的精简化、整体化和轻质化。通过多目标全局优化、拓扑优化、逆向工程结构优化设计等现代设计方法，实现动力电池箱体结构优化分块以及多种轻量化材料的匹配等[3]。
由于目前国内没有统一制定新能源汽车的安全碰撞标准及其他安全指标，汽车生产企业在运用软件ANSYS、CATIA等，對电池箱体的结构刚度、材料疲劳强度进行仿真轻量化设计，需要对于优化后的动力电池箱体进行安全碰撞分析，进而提高汽车的可靠性和安全性。
例如奥地利的Matthias Hartman[4] 等人，通过OptiStruct 对电动车电池外壳进行优化设计，有效地提高了自身刚度以及固有频率，并通过减少壁厚，使电池外壳重量减轻了20%。北京理工大学王露，对动力电池箱体进行稳健性优化设计，综合考虑形貌优化技术以及加工工艺要求，提出了两种电池箱体加强筋的布置方案，动力电池箱体新结构与原始结构的静、动态性能比较分析，表明两种新结构减重达7～10%，均实现了轻量化[5]。 2.2 材料轻量化
轻量化材料指的是低密度、高强度，在整车上应用后可提升单位面积承载重量的材料，最常用的有高强度钢、镁合金、铝合金及碳纤维等。
箱体上盖不承受侧面及底面的冲击，也不支撑整个电池组的质量，仅仅是密封作用，若下箱体有足够的刚强度，上盖可采用PP基材增强塑料，选用3mm厚的PP玻纤增强复合材料来代替1mm厚的冲压钢板，降重可达50%[6]。例如全铝车身的奇瑞EQ1电池箱体上盖采用了PP+LGF材料进行减重。
湖北汽车工业学院的康元春等人采用碳纤维材料对动力电池箱体进行铺层设计，最终得到的碳纤维电池箱体质量减重52.17%，且其静、动态性能均满足设计要求[7]。
LIU[8]等采用RBDO方法对电池箱体碳纤维上盖进行模拟研究，其结果表明碳纤维增强复合材料上盖相较于Carbon-SMC材料上盖再次减重4.924Kg，降重比达到22.14%。
由于碳维成本高，PP、PA基符合材料的强度偏低，目前上盖主要采用SMC符合材料模压而成，将冲压钢件减重20%～30%，将铝合金箱体，降低箱体高度，间接降低整个箱体重量[9]。部分纯电动车箱体上盖材料级质量见表2、表3。
汪佳浓等对动力电池下箱体设计时，采用碳纤维/环氧树脂复合材料替代Q235钢，通过有限元分析计算后，分析对比发现碳纤维/环氧树脂复合材料可以减重64%，且电池箱体的强度未发生变化。[10]。
现代汽车公司[11]以PA6为基材，混入总含量不低于40%的碳纤维和玻璃纤维，动力电池箱体降重达31%，且满足刚强度要求。
2.3 底盘和电池包箱体的集成化
动力电池箱体与底盘安装位置形成了结构重合区域，是动力电池增重的主要原因之一，因此底盘和动力电池包箱体协同优化设计对电动汽车轻量化开发具有重要意义。
宁德时代在公司技术路线规划中指出：在动力电池电芯能量密度没有技术性突破的情况下，电池包的能量密度在2022～2023年要达到230～260W.h/Kg，需要与整车厂协同开发底盘与电池包高度集成的新电池箱体构件。
美国能源局联合Stanford大学，进行了纯电动汽车底盘—动力电池的研究项目，将电池箱体与底盘集成一体，将电动汽车整车质量降低40%以上，并优化了底盘及相关部件的结构。
特斯拉Model 3电池包给出了一个新的设计思路，直接采用3.2mm铝板冲压后成型为2150X1450X103mm的下托盘，采用0.8mm冲压钢板作为上盖，通过螺纹连接、点焊的方法将动力电池上盖与下托盘连接为整体，相比传统的动力电池箱体结构，减少了侧壁，使装有80.5KW.h的电池包降至478Kg，相较于80.5KW.h的Model S减重15%。
3 结论
电池箱体的轻量化对于新能源汽车的轻量化举足轻重，通过CAE结构优化、高强度复合材料的应用以及底盘和电池箱体集成开发策略，实现电池箱体的轻量化。未来的动力电池箱体应与底盘集成一体，将电芯直接储藏在底盘中，底盘在满足整车的弯曲强度和扭转刚度的同时，大大降低了整车质量，对于新能源汽车轻量化具有重要意义。
2020校级课题2020ZK008。
参考文献：
[1]《中国制造2025》[B].
[2]《节能与新能源汽车技术路线2.0》[B].
[3]王品健.纯电动汽车动力电池箱体结构轻量化设计与优化[D].长沙：湖南大学，2018.
[4 ]Matthias Hartmann. Enhanced battery pack for electric vehicle： Noise Reduction and Increased Stiffness. Materials Science Forum，2013，25，30.
[5]王露.电动汽车动力电池箱结构稳健优化设计 [D].北京：北京理工大学，2016.
[6]郝瀚，陈康达，刘宗巍，等.美国 2030 年节能与新能源技术发展预测[J].汽车技术，2018（2）：1-9.
[7]康元春、郑冲.车用电池箱体碳纤维材料铺层研究[J].机械设计，2020，12：103-106.
[8] LIU Z，ZHU C，ZHU P，et al.Reliability-based design optimization of composite battery box based on modified particle swarm optimization algorithm[J].Composite Structures，2018，204：239-255.
[9]李日步，王海林，吴东升等.纯电动汽车动力电池包轻量化技术综述[J].汽车零部件，2019，07，026：101-108.
[10]汪佳濃，赵晓昱.碳纤维环氧树脂复合材料电池箱的轻量化研究[J].玻璃钢/复合材料，2016（12）：99-102.
[11]CHOI C H，CHO J M，KIL Y，et al. Development of polymer composite battery pack case for an electric vehicle[R]. SAE International，2013.
作者简介：侯迪：（1989.08—），女，汉族，硕士研究生，新能源汽车轻量化，教师，讲师。
关键词：动力电池箱体 结构优化 轻量化材料 底盘—电池箱体集成
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
《中国制造2025》中指出，节能与新能源汽车作为未来发展的十大领域之一，国家继续推进汽车轻量化、低碳化、信息化、智能化等核心技术的发展，推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨[1]。《节能与新能源汽车技术路线2.0》指出，汽车产业碳排放总量先于国家减排承诺，在2028年要达到峰值，到2035年，碳排放总量较峰值下降20%。到2060年，中国碳排放总量降低到碳中和。到2035年新能源汽车将成为主流，占比50%，其中纯电动汽车占比95%。而在轻量化方面，2.0指出到2035年纯电动汽车轻量化系数降至35%[2]。纯电动汽车的轻量化研究已成为汽车行业的一项关键性研究课题。
1 动力电池箱体
新能源汽车由于其技术的要求，造成了相对于传统燃油车增重的问题，相对于国外来说，我国电动商用车增重15%-30%，电动乘用车增重10%-15%，属于一般较低水平，因此更需要对其进行轻量化。
轻量化是在保证刚强度、模态和安全性能的前提下，通过现代优化设计方法尽可能降低重量已达到轻量化的目的，在性能、减重和成本之间寻求平衡。
在电动汽车各总成当中，动力电池系统的重量占据了整车重量的额30%，过重的动力电池包极大的影响了电动车的续航能力。《节能与新能源汽车技术路线图》指出，2035年纯电动乘用汽车轻量化系数降低35%，同时将车辆轻量化系数、载质量利用系数、挂牵比等作用衡量整车轻量化的依据。
动力电池系统各主要部件中，质量最大的是电芯本体，其次为电池箱体。在纯电动汽车中，电池箱体的轻量化也成为近年来研发的热点。
对特斯拉Model 3动力电池系统解体后各质量部件进行质量统计，电池箱体质量占比9.5%，如图1所示。
电池箱体是除了电芯之外的动力电池的最重的部件，是电动汽车高定制化的零部件。由于目前的纯电动汽车大多沿用传统汽车平台，动力电池箱体作为一个整体，直接安装汽车底盘下方的安装支架上在有土字形、T字形、方形等。一般安装在电池箱体分为上箱体盖和下箱体，两部分通过螺栓或者其他方式连接，中间结合面运用IP67级别的密封胶垫密封。
2 动力电池箱体的轻量化途径
目前轻量化设计主要通过结构优化、轻量化材料与先进工艺等途径来实现，如图2所示。
2.1 结构优化
在现代汽车产业中，运用CAD/CAE/CAM一体化技术，设计纯电动汽车动力电池箱体的整体布局和外形结构，利用轻量化数据库，对动力电池箱体进行工程分析和刚强度计算，实现动力电池箱体的精简化、整体化和轻质化。通过多目标全局优化、拓扑优化、逆向工程结构优化设计等现代设计方法，实现动力电池箱体结构优化分块以及多种轻量化材料的匹配等[3]。
由于目前国内没有统一制定新能源汽车的安全碰撞标准及其他安全指标，汽车生产企业在运用软件ANSYS、CATIA等，對电池箱体的结构刚度、材料疲劳强度进行仿真轻量化设计，需要对于优化后的动力电池箱体进行安全碰撞分析，进而提高汽车的可靠性和安全性。
例如奥地利的Matthias Hartman[4] 等人，通过OptiStruct 对电动车电池外壳进行优化设计，有效地提高了自身刚度以及固有频率，并通过减少壁厚，使电池外壳重量减轻了20%。北京理工大学王露，对动力电池箱体进行稳健性优化设计，综合考虑形貌优化技术以及加工工艺要求，提出了两种电池箱体加强筋的布置方案，动力电池箱体新结构与原始结构的静、动态性能比较分析，表明两种新结构减重达7～10%，均实现了轻量化[5]。 2.2 材料轻量化
轻量化材料指的是低密度、高强度，在整车上应用后可提升单位面积承载重量的材料，最常用的有高强度钢、镁合金、铝合金及碳纤维等。
箱体上盖不承受侧面及底面的冲击，也不支撑整个电池组的质量，仅仅是密封作用，若下箱体有足够的刚强度，上盖可采用PP基材增强塑料，选用3mm厚的PP玻纤增强复合材料来代替1mm厚的冲压钢板，降重可达50%[6]。例如全铝车身的奇瑞EQ1电池箱体上盖采用了PP+LGF材料进行减重。
湖北汽车工业学院的康元春等人采用碳纤维材料对动力电池箱体进行铺层设计，最终得到的碳纤维电池箱体质量减重52.17%，且其静、动态性能均满足设计要求[7]。
LIU[8]等采用RBDO方法对电池箱体碳纤维上盖进行模拟研究，其结果表明碳纤维增强复合材料上盖相较于Carbon-SMC材料上盖再次减重4.924Kg，降重比达到22.14%。
由于碳维成本高，PP、PA基符合材料的强度偏低，目前上盖主要采用SMC符合材料模压而成，将冲压钢件减重20%～30%，将铝合金箱体，降低箱体高度，间接降低整个箱体重量[9]。部分纯电动车箱体上盖材料级质量见表2、表3。
汪佳浓等对动力电池下箱体设计时，采用碳纤维/环氧树脂复合材料替代Q235钢，通过有限元分析计算后，分析对比发现碳纤维/环氧树脂复合材料可以减重64%，且电池箱体的强度未发生变化。[10]。
现代汽车公司[11]以PA6为基材，混入总含量不低于40%的碳纤维和玻璃纤维，动力电池箱体降重达31%，且满足刚强度要求。
2.3 底盘和电池包箱体的集成化
动力电池箱体与底盘安装位置形成了结构重合区域，是动力电池增重的主要原因之一，因此底盘和动力电池包箱体协同优化设计对电动汽车轻量化开发具有重要意义。
宁德时代在公司技术路线规划中指出：在动力电池电芯能量密度没有技术性突破的情况下，电池包的能量密度在2022～2023年要达到230～260W.h/Kg，需要与整车厂协同开发底盘与电池包高度集成的新电池箱体构件。
美国能源局联合Stanford大学，进行了纯电动汽车底盘—动力电池的研究项目，将电池箱体与底盘集成一体，将电动汽车整车质量降低40%以上，并优化了底盘及相关部件的结构。
特斯拉Model 3电池包给出了一个新的设计思路，直接采用3.2mm铝板冲压后成型为2150X1450X103mm的下托盘，采用0.8mm冲压钢板作为上盖，通过螺纹连接、点焊的方法将动力电池上盖与下托盘连接为整体，相比传统的动力电池箱体结构，减少了侧壁，使装有80.5KW.h的电池包降至478Kg，相较于80.5KW.h的Model S减重15%。
3 结论
电池箱体的轻量化对于新能源汽车的轻量化举足轻重，通过CAE结构优化、高强度复合材料的应用以及底盘和电池箱体集成开发策略，实现电池箱体的轻量化。未来的动力电池箱体应与底盘集成一体，将电芯直接储藏在底盘中，底盘在满足整车的弯曲强度和扭转刚度的同时，大大降低了整车质量，对于新能源汽车轻量化具有重要意义。
2020校级课题2020ZK008。
参考文献：
[1]《中国制造2025》[B].
[2]《节能与新能源汽车技术路线2.0》[B].
[3]王品健.纯电动汽车动力电池箱体结构轻量化设计与优化[D].长沙：湖南大学，2018.
[4 ]Matthias Hartmann. Enhanced battery pack for electric vehicle： Noise Reduction and Increased Stiffness. Materials Science Forum，2013，25，30.
[5]王露.电动汽车动力电池箱结构稳健优化设计 [D].北京：北京理工大学，2016.
[6]郝瀚，陈康达，刘宗巍，等.美国 2030 年节能与新能源技术发展预测[J].汽车技术，2018（2）：1-9.
[7]康元春、郑冲.车用电池箱体碳纤维材料铺层研究[J].机械设计，2020，12：103-106.
[8] LIU Z，ZHU C，ZHU P，et al.Reliability-based design optimization of composite battery box based on modified particle swarm optimization algorithm[J].Composite Structures，2018，204：239-255.
[9]李日步，王海林，吴东升等.纯电动汽车动力电池包轻量化技术综述[J].汽车零部件，2019，07，026：101-108.
[10]汪佳濃，赵晓昱.碳纤维环氧树脂复合材料电池箱的轻量化研究[J].玻璃钢/复合材料，2016（12）：99-102.
[11]CHOI C H，CHO J M，KIL Y，et al. Development of polymer composite battery pack case for an electric vehicle[R]. SAE International，2013.
作者简介：侯迪：（1989.08—），女，汉族，硕士研究生，新能源汽车轻量化，教师，讲师。