帶你看電池包結(jié)構(gòu)輕量化

動力電池包是電動汽車核心零部件之一，電池包重量約占整車總重20-30%，也是整車生產(chǎn)中成本占比最高的部件之一。

眾所周知，電池包對于安全性的要求非常之嚴苛，同時也決定了整車在功率和續(xù)航里程上的表現(xiàn)。

想要提升性能，車身整體的重量也至關(guān)重要。其中重量占到將近三分之一的電池包輕量化問題也成為了關(guān)鍵。

電池包為什么要輕量化？

研究數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)燃油汽車減重10%，經(jīng)濟性可提升6-8%；

而等速行駛工況下，電動汽車自重降低10%，可使整車增加10%左右的續(xù)駛里程。

那么如何提升續(xù)航里程呢？

從電池包的角度來看，由于電芯材料組分和尺寸上的限制較大，所以想要減重就只能從結(jié)構(gòu)上下手，箱體輕量化和模組緊湊化成為了當下新能源車企研究的重點方向。

如何實現(xiàn)電池包輕量化？

電池包的輕量化大致可以分為兩大層面——系統(tǒng)設(shè)計層面和詳細設(shè)計層面。具體細分層級可見下圖：

輕量化之余，電池包的結(jié)構(gòu)還依然需要滿足機械安全、密封絕緣和防火等安全需求。箱體結(jié)構(gòu)的強度、剛度、耐撞性、穩(wěn)定性都會對電池包性能產(chǎn)生影響。

輕量化之路中，較為有效的方式有以下5大方法：

// 01 優(yōu)化電池包布置方式?

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在電池包箱體有限空間內(nèi)，一定數(shù)量電池單體通過特定機械連接和電連接組成電池模組。

根據(jù)車用電池包的空間形狀與承載特點，電池模組串并聯(lián)排布組成動力電池系統(tǒng)，電池包中模組布置和結(jié)構(gòu)形式差異較大。

電池單體常用類型有圓柱形、方形鋁殼和軟包鋁塑膜等，此外電池包內(nèi)部還布置有BMS控制器、高壓線束等輔助功能部件。

電池包結(jié)構(gòu)構(gòu)成

動力電池包的布置形式通常由整車空間特征決定，需考慮車輛驅(qū)動方式、整車重心位置與離地間隙等因素。

動力電池包生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)整車企業(yè)需求，開發(fā)出模組排布不同、電池包箱體形狀和安裝吊耳位置各異的車用動力電池包。

經(jīng)過不斷研究與發(fā)展，電池包常用結(jié)構(gòu)布置形式有車身底部懸置式、車身結(jié)構(gòu)一體式和標準箱體分布式等。

車身底部懸置式

早期電動汽車多由傳統(tǒng)燃油車改裝而成，動力電池包通常安裝在汽車前艙、后備箱、地板底部等位置，如下圖所示的日產(chǎn)Leaf“凹”形電池包。

日產(chǎn)Leaf 電池包

車身底部懸置式電池包采用螺栓連接于汽車車架底部，具有設(shè)計高效靈活、生產(chǎn)制造獨立性好等優(yōu)點，是乘用車廣泛采用的動力電池包結(jié)構(gòu)形式，如日產(chǎn)Leaf、吉利帝豪EV等車型。

吉利 帝豪EV Pro

箱體分布式

標準箱體分布式是通過幾個相同或者結(jié)構(gòu)近似的標準箱體電池包串并聯(lián)形成電池系統(tǒng)，具有布置靈活，安裝位置多樣等特點。

空間較大且規(guī)整的客車或?qū)Ｓ闷嚩嗖捎迷摲N結(jié)構(gòu)形式，如宇通E10 純電動客車等。

標準箱體電池包

車身結(jié)構(gòu)一體式

隨著電動汽車續(xù)航里程的需求不斷提高，空間受限的傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)無法滿足最優(yōu)設(shè)計要求，車身結(jié)構(gòu)一體式電池包結(jié)構(gòu)布置形式逐漸受到重視。

電動汽車正向設(shè)計技術(shù)的成熟使得電動汽車專用設(shè)計平臺出現(xiàn)，如圖所示的廣汽GEB電動汽車專用設(shè)計平臺，就將電池包融合至車身結(jié)構(gòu)中。

廣汽GEB平臺

電動汽車續(xù)駛里程需求增加，外加汽車正向設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，促使車身設(shè)計與電池包結(jié)構(gòu)協(xié)同開發(fā)，力求車身結(jié)構(gòu)緊湊同時電池包性能較優(yōu)。

當下，平臺化、模塊化的車身結(jié)構(gòu)一體式動力電池包逐漸增多，如搭載大眾MEB平臺的奧迪Q4 e-tron、特斯拉TESLA平臺設(shè)計的Model S和Model X等車型。

//? 02?優(yōu)化電池模組

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系統(tǒng)設(shè)計層面下，電池包輕量化設(shè)計首先從電芯參數(shù)和單體尺寸選擇開始。

不同化學體系與尺寸參數(shù)下鋰離子動力電芯與動力電池系統(tǒng)存在匹配設(shè)計問題，通常需在電池系統(tǒng)概念設(shè)計階段計算確定。

最后則是通過優(yōu)化電池包箱體內(nèi)部布置、減少設(shè)計層級，實現(xiàn)箱體空間最大利用率。

例如寧德時代提出的無模組設(shè)計技術(shù)（Cell To Pack，CTP），圖為寧德時代某CTP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

寧德時代CTP設(shè)計應用實例

該CTP設(shè)計中，采用了單體和電池管理系統(tǒng)直接固定在電池包殼體中，電芯內(nèi)置在上下殼體中，殼體內(nèi)部填充導熱膠。

此外，電芯側(cè)壁和電芯殼體間內(nèi)置壓力或者溫度傳感器，兩種傳感器協(xié)同作用下能夠排查不良電芯單體，并且提前探測到電芯可能發(fā)生熱失控等安全事故。

該設(shè)計形式由于不采用模組結(jié)構(gòu)，使電池包體積利用率提升了15-20%；電芯單獨裝配，降低裝配難度，提高生產(chǎn)效率約50%；

更為重要的是，可實現(xiàn)故障電芯的及時檢測與更換，電芯殼體加強方案可降低電池包外殼的防護等級。

//? 03?新型成組方式

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大模塊設(shè)計

將單體電芯的尺寸和容量增加，致使每個單體電芯分攤的結(jié)構(gòu)件質(zhì)量減少。例如寧德時代的大模組設(shè)計結(jié)構(gòu)：

CATL大模組設(shè)計實例

通過大模組設(shè)計取消了現(xiàn)有技術(shù)中的電池箱體，直接將電池模組通過固定件穿過支撐套筒與安裝梁安裝在整車上，實現(xiàn)電池包輕量化同時提高了電池包在整車上連接強度。

一體化設(shè)計

減少電池包模組等中間層級，將單體電芯尺寸做到最佳，提高箱體空間利用率。

例如比亞迪的“刀片電池”電池包設(shè)計方案，如圖所示，通過設(shè)計出一種扁平化大尺寸電芯，采用陣列排布方式布置于電池包箱體內(nèi)部，單體電池就像“刀片”一樣插入到電池包中。

比亞迪刀片電池結(jié)構(gòu)

據(jù)悉，該設(shè)計能使電池包比能量提升50%左右，生產(chǎn)成本降低約30%。

//? 04?輕質(zhì)材料應用

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來到今天的重頭戲——材料輕量化。

為什么說是“重”頭戲呢？因為箱體減重設(shè)計中，運用輕質(zhì)材料對箱體整體減重的效果非常明顯。

目前應用較為成熟的輕質(zhì)材料是鋁鎂合金和復合材料兩大類。

金屬類材料中，鋁合金除了重量輕、抗氧好之外，還有利于回收，在電池包上的應用量非常大。

考慮到結(jié)構(gòu)強度，壓鑄鋁箱和擠壓-拼焊鋁箱多用在下箱體，沖壓-拼焊鋁箱一般用在上箱蓋。

鋁合金在電池包中的應用

來到非金屬材料這邊，復合材料可謂是目前的大熱門。它所具備的重量極輕、絕緣性能好、加工成型簡便的優(yōu)勢在電池包乃至整車上都發(fā)揚光大。

目前諸如發(fā)動機罩、油底殼、電池包上箱蓋等領(lǐng)域中，各種復合材料制成的零部件正在大規(guī)模替代傳統(tǒng)金屬零部件。

復合材料在電池包中的應用

但也要注意，復合材料受制于原料、成本等方面的限制，目前應用比較多的有玻纖增強塑料（SMC），以及各類改性樹脂。

數(shù)據(jù)顯示，SMC制成的電池包上箱蓋比傳統(tǒng)金屬材料上蓋減重約為38%，碳纖維復合材料應用也在逐漸增多，復合材料減重效果明顯。

有部分企業(yè)嘗試將復合材料應用在電動汽車下底板，但復合材料剛度特性較差，需要加厚尺寸或者采用夾層結(jié)構(gòu)來提升結(jié)構(gòu)的抗彎特性。

同時會在電池包下箱體設(shè)計成夾層結(jié)構(gòu)，并在中間層增加金屬或者蜂窩鋁結(jié)構(gòu)，將金屬與非金屬結(jié)合，具有輕質(zhì)高強、耐撞性好等諸多優(yōu)點。

下表例舉了各種輕質(zhì)材料的性能參數(shù)及特點：

鎂鋁合金、復合材料等輕質(zhì)材料在電池包結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中減重效果顯著，但目前輕質(zhì)材料應用在電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在以下2點不足：

• 結(jié)合電池包關(guān)鍵性能開發(fā)出性能和輕量化效果均優(yōu)的電池包結(jié)構(gòu)欠缺，可借鑒的研究成果、設(shè)計方法不多；

• 合適的材料用在合適的位置在電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計中已有初步應用，但對電池包多材料選型方法，結(jié)合性能約束的多材料設(shè)計方法研究不足。

//? 05?極限設(shè)計

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極限設(shè)計是指在產(chǎn)品詳細設(shè)計階段進行性能優(yōu)化或后期對產(chǎn)品進行設(shè)計改良。

極限設(shè)計需清楚設(shè)計的臨界值，不僅要滿足各項性能要求，還需滿足零部件加工、產(chǎn)品裝配工藝要求。

極限設(shè)計通常借助CAE對產(chǎn)品各項性能臨界值和生產(chǎn)工藝參數(shù)探索，通過CAE仿真分析技術(shù)精準定位。

例如將電池包箱體承載部位加強設(shè)計，而非承重部位使用薄壁材料，箱體不同位置變厚度實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計要求又盡可能減重。

鋁制箱體結(jié)構(gòu)極限設(shè)計實例

除了這些輕量化的需求以外，當下汽車工業(yè)的發(fā)展對塑料提出了更多 的需求和挑戰(zhàn)。

來源：《車用動力電池包多材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化設(shè)計》、汽車材料網(wǎng) ?

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