電池包輕量化設(shè)計概述

電池包輕量化設(shè)計概述摘要：本文以電池包為研究對象，闡述了電池包在整車輕量化工作中的地位，以及電池包輕量化設(shè)計的基本思路與方法。輕量化的工作的總體思是通過新材料、新工藝與新結(jié)構(gòu)新進(jìn)輕量化，其中以新材料為重點闡述，對于鋁合金、高強鋼的應(yīng)用是重點；新工藝中泡沫鋁是較好的應(yīng)用；新結(jié)構(gòu)可以通過最優(yōu)化設(shè)計理論進(jìn)行開發(fā)。另外，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，還得考慮成本的貢獻(xiàn)，成本與性能的矛盾還需在項目開發(fā)中予以平衡。關(guān)鍵詞：新能源；電池包；輕量化；最優(yōu)化設(shè)計1前言三電系統(tǒng)是新能源車型的核心部件，新能源車的續(xù)駛里程與所配的電池電量有很大關(guān)系，在其他不變的情況下，想要續(xù)駛里程長，簡單的做法就是加大電池，電池的增加又會增加整車重量。整車重量的增加又會導(dǎo)致制動距離加大；碰撞時的碰撞能量大而被動安全性能減弱；同時，動力性也會減弱；整車承載能力減弱；又因為整車整備質(zhì)量增加，而導(dǎo)致整車運行過程中的負(fù)載加大，整車耐久性能變差。正所謂，牽一發(fā)而動全身，整車重量的大小對于整車性能的影響很大。那么輕量化，必然是整車設(shè)計開發(fā)過程中需要重點考慮的性能模塊。動力電池包重量約占新能源車整車總重量的20%?30%，從重量管控的角度，其勢必是輕量化途徑中的一個必經(jīng)環(huán)節(jié)。動力電池包的輕量化思路，首先還是落在電池包自身的結(jié)構(gòu)上。電池包主要由四個部分組成：機械結(jié)構(gòu)部分，如電池包殼體；儲能模塊，如電芯或模組；控制系統(tǒng)，如BMS；以及電子電器部件，如線束、繼電器、MSD等。電池包外殼與電芯則是電池包的主要重量組成部分,我們輕量化主要也是從這幾個方面入手。

1、輕量化基本思路輕量化工作通用的方法有三種：新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)，此法放之四海而皆準(zhǔn)，如下圖1所示。圖1輕量化的三條途徑當(dāng)然，本文的重點是說明電池包的輕量化，那以電池包為目標(biāo)，可以從系統(tǒng)設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計的角度闡述電池包輕量化設(shè)計，如下圖2所示：圖2電池包輕量化途徑系統(tǒng)設(shè)計從“電芯和單體”的參數(shù)與尺寸設(shè)定開始，不同的電芯材料或配方與單體的尺寸方案，需在電池系統(tǒng)開發(fā)的概念設(shè)計階段經(jīng)過虛擬方式確定，然后通過詳細(xì)工程設(shè)計階段優(yōu)化電池包內(nèi)部布置與結(jié)構(gòu)、減少設(shè)計層級，實現(xiàn)對電池包背部空間利用率的最大化。詳細(xì)設(shè)計包含模塊化設(shè)計、材料與最優(yōu)化設(shè)計，而模塊化設(shè)計的極限就是一體化設(shè)計。模塊化設(shè)計在輕量化中的目的是減少小模塊之間的過度結(jié)構(gòu)，提升空間利用率的同時還能減少零部件數(shù)量。新材料的應(yīng)用有復(fù)合材料、鋁合金、鎂合金甚至是鈦合金的應(yīng)用等。最優(yōu)化設(shè)計，類似圖1所展示的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，現(xiàn)階段主要通過CAE的仿真分析優(yōu)化手段進(jìn)行。2、材料的應(yīng)用輕量化工作通用的方法2.1、電芯的選取動力電池包的能量密度不同，相同能量下的電池包重量也就有所差異，如下表1所示是不同電芯類型對應(yīng)的電池特點。一般的，能量密度高對于重量更有優(yōu)勢。在表1中，固態(tài)電池的能量密度最高，但循環(huán)和成本不占優(yōu)勢。相信，隨著技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)電池必定會成為新能源行業(yè)發(fā)展的趨勢。表1不同電池特點對比電池類型有點缺點元鋰電能量密度高循環(huán)數(shù)一般、成本高磷酸鐵鋰成本低、安全性高、循環(huán)數(shù)高能量密度一般、低溫充電性能一般鈦安全性能量酸鋰高，循環(huán)高密度低、價格高固態(tài)電池能量密度最高循環(huán)低鈉電池低溫充電能力好、安全性高、快充倍率高、成本低能量密度低，循環(huán)一般2.2、輕量化材料鋁合金電池包的下部殼體要承受整個電池包的重量，以及突發(fā)的底部碰撞，要求具有一定強度能力。鋁合金在電池包底部的應(yīng)用中，整體的的輕量化效果相比鋼材能有30%的貢獻(xiàn)量。鋁合金在電池包殼體中的應(yīng)用有如下幾種工藝方式：第一、鋁型材攪拌摩擦焊，此種方式有著成本控制有優(yōu)勢、整體結(jié)構(gòu)強度性能好、焊接效率高、焊接完成后變形小的優(yōu)點；第二、沖壓板焊接鋁合金電池包下殼體，此種方式的輕量化效果比攪拌摩擦焊更有優(yōu)勢，整體的輕量化效果能再提升10%左右，但其存在著拉延深度有限、強度疲勞不足的問題，需要從其他方面對此類電池包下殼體進(jìn)行輔助強化；第三、鑄造鋁合金，常用的鑄造工藝有中立鑄造、半固態(tài)鑄造、高壓及低壓鑄造、差壓鑄造等，而高壓鑄造是電池包殼體生產(chǎn)中的主要應(yīng)用手段，鑄造工藝因為有著基建投入大、表面積背部缺陷多、輕量化效果不如板材與型材而使其并不能大面積使用；第四、泡沫鋁的應(yīng)用，泡沫鋁的力學(xué)性能更優(yōu)，配合以“三明治結(jié)構(gòu)”在保證強度的同時，能把整體密度降低到鋁合金的1/3[1，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。圖3泡沫鋁合金電池包結(jié)構(gòu)鎂合金有著比強度與比剛度高、抗沖擊及減振等諸多優(yōu)點，但其成型工藝等問題尚未得以完成解決，目前沒有大規(guī)模應(yīng)用到汽車零部件生產(chǎn)制造中［2］。鈦合金盡管各項性能優(yōu)異，但受制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高等因素制約，目前在航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域小規(guī)模應(yīng)用，汽車制造中大規(guī)模應(yīng)用較少⑶。高強鋼高強度鋼在汽車行業(yè)中應(yīng)用的已經(jīng)比較多了，比如：有熱成型鋼，在供貨狀態(tài)雖只有500-600MPA，經(jīng)過加工后可達(dá)1500MPA，此類剛才在電池包結(jié)構(gòu)中很少應(yīng)用，主要用于車輛的主要碰撞結(jié)構(gòu)件中；雙相鋼也常用于碰撞結(jié)構(gòu)件中，其有著良好的強度和加工延展性，制造工藝容易實現(xiàn)；高強度低合金鋼的抗拉強度能達(dá)600MPA等。復(fù)合材料復(fù)合材料沒有單一組分材料的限制，它是由人們根據(jù)實際工程開發(fā)需要，將不同性質(zhì)的材料按特定組分配比組合/復(fù)合而成，已達(dá)到產(chǎn)生某中獨特性能的需求。由于是“復(fù)合”的原因，此種材料的性能，可通過不同組分的選擇、配比和分布等，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)的科學(xué)設(shè)置而靈活變動，使其設(shè)計自由度高、而適應(yīng)面廣。復(fù)合材料一般分為纖維增強復(fù)合材料、顆粒增強復(fù)合材料、片材增強復(fù)合材料和層疊式復(fù)合材料。復(fù)合材料一般有的優(yōu)異的力學(xué)性能及輕量化效果、各向異性和高設(shè)計自由度、抗疲勞、耐腐蝕性強以及多選擇的制造成型工藝等特點。在電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計中，材料的選取對于輕量化的貢獻(xiàn)對比，復(fù)合材料相比高強鋼、鋁合金等尤其是碳纖維材料優(yōu)勢明顯：比強度、比模量優(yōu)于傳統(tǒng)金屬，而密度僅約為鋼的1/5；能使輕量化相比鋼減重50%、相比鎂/鋁合金減重30%左右，輕量化潛能巨大；與金屬相比，其優(yōu)異的抗沖擊性和能量吸收能力可有效改善并提升汽車的安全性，尤其是目前成為焦點的電動車碰撞后的電池安全；另外，碳纖維復(fù)合材料的疲勞強度可達(dá)抗拉強度70-80%，遠(yuǎn)高于鋼鋁的30-50%，優(yōu)異的抗疲勞特性加之良好的耐腐蝕性能可有效延長部件的使用壽命［4；對于零部件眾多的汽車系統(tǒng)，復(fù)合材料應(yīng)用的另一顯著優(yōu)勢是一體化結(jié)構(gòu)成型，從而大幅削減零件及緊固件數(shù)目，簡化連接、裝配。因此，碳纖維復(fù)合材料汽車輕量化技術(shù)在電池包箱體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用前景巨大，成為近年汽車材料輕量化技術(shù)的主流。但碳纖維材料的應(yīng)用畢竟受困與成本的限制，現(xiàn)階段還無法大面積推廣，而SMC（片狀模塑料，SheetMoldingCompound）具有綜合性能良好、減重明顯、可設(shè)計性強、耐腐蝕、集成化程度高、成本低等優(yōu)點，使其成為近幾年輕量化的首選材料。主要應(yīng)用在動力電池上蓋蓋板處，承力要求不高，主要是有密封要求。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，上蓋板的形狀設(shè)計再加上幾條特征筋，用以提升平面的強度與剛度。3、 最優(yōu)化設(shè)計對于主機廠來說，針對電池的優(yōu)化，最優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用主要是用在電池包殼體上。通過最優(yōu)化設(shè)計理論，設(shè)定最優(yōu)化目標(biāo)，約束函數(shù)及其邊界進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，如下圖4所示；當(dāng)然，也可以通過CAE仿真手段對電池包殼體進(jìn)行的最優(yōu)化設(shè)計，這里面設(shè)計圖1所示的新結(jié)構(gòu)設(shè)計。心/I畔■r殊…可PWWJ.?血史忡卿A"5JrL3--tr/中，沖為貿(mào)H日$EUh叫為的彈條懺I乜為變f圖4最優(yōu)化設(shè)計數(shù)模模型4、 總結(jié)輕量化工作是個永恒的話題，電池包作為整車整備質(zhì)量貢獻(xiàn)占1/3的地位，其輕量化的工作勢必是重中之重。電池包的輕量化需要結(jié)合電池包本體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行，核心是對電芯/及電池包整體的能量密度提升、以及對電池包殼體進(jìn)行輕量化，輕量化的方法有電芯的選型、材料、結(jié)構(gòu)與工藝上的提升。參考文獻(xiàn):SchmerlerR,GebkenT,KalkaS,etal.FunktionsintegriertesBatteriegehausefurElektrofahrzeuge[J].LightwghtDesign,2017,10(5):32-37.付彭懷，