隨著世界能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重，汽車輕量化越來越受到人們的重視。輕量化對汽車節(jié)能減排的效果直接而顯著，試驗證明，對于傳統(tǒng)燃油汽車，汽車整備質(zhì)量每減輕10%，可降低油耗6%～8%，排放下降3%～4%；對于新能源純電動汽車，汽車整備質(zhì)量每減少10%，電耗下降5.5%，續(xù)航里程增加5.5%。同時汽車質(zhì)量的降低可減小汽車制動距離，提高安全性能。所以，無論是對傳統(tǒng)燃油汽車，還是對新能源汽車，汽車輕量化研究均具有重要意義。

      輕量化并非簡單地將整備質(zhì)量減輕，而是在保證強度和安全性能的前提下盡可能地降低整備質(zhì)量并保證制造成本在合理范圍內(nèi)，以實現(xiàn)安全性和經(jīng)濟性的兼顧統(tǒng)一。電池包箱體作為動力電池的承載和防護機構(gòu)，在電池包系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，而且其整備質(zhì)量目前偏大，具有較大的輕量化空間，同時政策對于電池包能量密度的要求逐步提高，使得電池包箱體輕量化發(fā)展具有很強的緊迫性。

      針對輕量化過程中引入的新材料和新結(jié)構(gòu)連接需求，本文對電池包箱體輕量化的發(fā)展及新型連接技術(shù)的應用進行綜述，旨在對輕量化設計和制造提供有益借鑒。

電池包箱體的輕量化發(fā)展

      傳統(tǒng)電池包箱體一般采用低碳鋼鈑金和焊接工藝加工而成，成本較低但箱體質(zhì)量較大，嚴重影響電池包系統(tǒng)能量密度的提高和新能源汽車的輕量化，不符合發(fā)展趨勢，需要進行輕量化改進。目前針對電池包箱體輕量化的主要手段為輕量化材料應用和輕量化結(jié)構(gòu)設計。

輕量化材料的應用

      電池箱輕量化材料應用主要包括鋁合金材料、高強鋼材料和復合材料的應用等，目前鋁合金替代傳統(tǒng)低碳鋼在電池箱上得到了大范圍的應用，鋁合金箱體成為電池箱體發(fā)展的一個重要方向。

      鋁是最常用的金屬材料之一，同時也是地殼中分布最廣、儲存量最多的元素之一，占地殼質(zhì)量的8.13%。鋁合金密度小，約為鋼密度的1/3，用鋁合金代替鋼鐵可顯著降低箱體質(zhì)量，且鋁合金表面形成的一層致密而穩(wěn)定的氧化膜，使得其具有良好的耐腐蝕性，故鋁合金材料是一種優(yōu)異的電池箱輕量化材料。目前鋁合金電池包箱體主要有鋁型材箱體和鑄鋁箱體兩種形式，其中鋁型材箱體由于尺寸設計范圍大、模具開發(fā)成本低、材料性能優(yōu)越等優(yōu)點獲得了大量的關(guān)注。

      高強鋼強度大幅提高，可實現(xiàn)箱體的薄壁化設計，實現(xiàn)輕量化，且高強鋼相對于其他材料具有成本優(yōu)勢，通過高強鋼替代傳統(tǒng)低碳鋼用于箱體制造是電池包箱體輕量化發(fā)展的一個重要方向；復合材料具有輕質(zhì)高強等優(yōu)良性能，在動力電池包輕量化方面發(fā)揮著越來越重要的作用。熱塑性復合材料具有可重復使用、成本低、成型快等特點，是電池包箱體制造的理想材料。熱塑性復合材料的成型，如注塑成型、LFT-D在線模壓成型、GMT模壓成型等，均可用于電池包的成型。電池箱上蓋采用熱固性復合材料成型，如SMC、BMC等，已廣泛應用于電池包生產(chǎn)。碳纖維復合材料的高成本是限制其在汽車行業(yè)應用的主要問題，研發(fā)汽車專用高模量低成本碳纖維是目前的研究重點。研發(fā)快速固化樹脂與預浸料，提高成型節(jié)拍是降低碳纖維復合材料成本的主要措施。隨著復合材料的成本逐步降低，未來復合材料有望實現(xiàn)在電池包箱體上的大規(guī)模應用。

      此外，多材料輕量化動力電池包設計開發(fā)是未來發(fā)展趨勢之一。在不同部位應用不同特性的輕量化材料，以得到最優(yōu)性能的箱體結(jié)構(gòu)設計同時減小質(zhì)量和成本。針對混合材料電池箱體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計和異種材料連接技術(shù)是關(guān)鍵。

輕量化結(jié)構(gòu)設計

      電池箱輕量化不僅涉及輕量化材料的應用，而且與箱體結(jié)構(gòu)的合理設計密切相關(guān)，優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)設計也是實現(xiàn)汽車輕量化的一個重要途徑。通過CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)對電池箱總體結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化，實現(xiàn)箱體零部件的精簡、整體化和輕量化，已成為電池箱體開發(fā)中主要的設計方法。

      利用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)準確實現(xiàn)電池箱體實體結(jié)構(gòu)設計和布局設計, 對各構(gòu)件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析, 并可從數(shù)據(jù)庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關(guān)該箱體的相關(guān)數(shù)據(jù)進行工程分析和剛度、強度計算。對于采用輕質(zhì)材料的零部件, 還可以進行布局進一步分析, 使輕量化材料能夠滿足箱體設計的各項要求。

      電池包箱體輕量化設計方法主要有拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等。在箱體前期設計過程中即概念設計階段一般采用拓撲、形貌和自由尺寸的優(yōu)化手段；在結(jié)構(gòu)設計后期，對具體的技術(shù)要求，需要詳細設計時更多的采用尺寸優(yōu)化、形狀和自由形狀優(yōu)化技術(shù)，以達到具體的設計要求。如某鑄鋁電池包箱體的拓撲分析，支架安裝位置全約束，模擬電池包實際安裝情況，同時以國標擠壓工況受力分析為邊界；設計響應為電池包的應變能和質(zhì)量；目標為質(zhì)量最??；約束為體積減少為初始的80%。經(jīng)過多次迭代獲得電池包相對密度云圖，如圖4所示，紅色區(qū)域為密度接近1的部分，對設計目標的貢獻較大，是必須要保留的或者是要加強的區(qū)域。藍色部分的相對密度較低，對設計目標的貢獻小，是我們做輕量化重要的減重途徑。當然拓撲優(yōu)化后的結(jié)果，還必須考慮工程工藝的可行性，綜合考慮箱體的減重方案設施。

      電池包安全性需考慮熱管理，其不僅對電池的循環(huán)壽命、工作溫度起著重要影響，對于電池包整體輕量化能量密度的提高也非常重要。

      在電池包現(xiàn)有的熱管理輕量化上，冷板結(jié)構(gòu)采用較多的是釬焊工藝和吹脹工藝，如口琴管、沖壓板、吹脹板等。針對此類冷板結(jié)構(gòu)，要單獨放在電池箱體上，利用CFD仿真技術(shù)和參數(shù)化優(yōu)化設計，對冷板流道進行優(yōu)化設計，保證電池的散熱性。同時結(jié)合流固耦合仿真對冷板的結(jié)構(gòu)進行輕量化設計，保證冷板結(jié)構(gòu)強度。此外，將熱管理系統(tǒng)集成于箱體結(jié)構(gòu)中是目前實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)輕量化研究和探討的方向，該方法在下箱體內(nèi)嵌入流道，或利用擠壓型材布置流道，利用CFD、參數(shù)優(yōu)化設計以及流固耦合的方法，來對內(nèi)部流道以及結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。這種結(jié)構(gòu)不僅可以直接承受模組的重量，同時實現(xiàn)了電池包整體的輕量化，也避免了單獨冷板在惡劣工況下的泄露。

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