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电池包结构轻量化的5种关键方法

动力电池包是电动汽车核心零部件之一,其内部由大量电池单体通过串并联方式形成模组、系统,电池包重量约占整车总重 20-30%,生产成本约为整车 50%。电动汽车安全事故中绝大部分是电池包故障导致,如碰撞中电池包变形严重引发单体内短路、充放电中单体温升异常诱发热失控等。

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电动汽车的快速发展对动力电池包提出了严苛的要求,如超长续驶里程、高比功率与高比能量指标、高安全性和可靠性要求。

电池包为什么要轻量化?

研究数据表明,传统燃油汽车减重10%,经济性可提升 6-8%;而等速行驶工况下电动汽车自重降低10%,可使整车增加10%左右的续驶里程。

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车用动力电池包可通过单体比能量提升、箱体结构轻量化、制造工艺改善等方式来增加整车续驶里程。单体比能量受电芯内部材料组分和外部尺寸限制,在短期内难以有突破性的进展;电池包结构轻量化设计可减轻重量从而增加整车续驶里程,因此箱体轻量化与模组紧凑化设计无疑是提升续驶里程的可行途径。

电池包轻量化途径有哪些?

电池包轻量化设计主要有系统设计层级与详细设计层级中多种途径,如图所示。

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电池包结构设计需满足各项机械安全、密封绝缘和防火等性能要求。箱体结构强度、刚度、耐撞性、可靠性等性能以及内部模组布置等因素均会对电池包性能产生影响。理想的动力电池包结构设计应满足电动汽车各项性能要求下最大程度减轻自身重量。其中较为有效的方式有以下五种。

一、电池包布置方式的优化


在电池包箱体有限空间内,一定数量电池单体通过特定机械连接和电连接组成电池模组,根据车用电池包的空间形状与承载特点,电池模组串并联排布组成动力电池系统,电池包中模组布置和结构形式差异较大。

电池单体常用类型有圆柱形、方形铝壳和软包铝塑膜等,此外电池包内部还布置有BMS控制器、高压线束等辅助功能部件。

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动力电池包的布置形式通常由整车空间特征决定,需考虑车辆驱动方式、整车重心位置与离地间隙等因素。

动力电池包生产企业根据整车企业需求,开发出模组排布不同、电池包箱体形状和安装吊耳位置各异的车用动力电池包。经过不断研究与发展,电池包常用结构布置形式有车身底部悬置式、车身结构一体式和标准箱体分布式等。

车身底部悬置式

早期电动汽车多由传统燃油车改装而成,动力电池包通常安装在汽车前舱、后备箱、地板底部等位置,如图 1-2 所示的日产 Leaf“凹”形电池包。车身底部悬置式电池包采用螺栓连接于汽车车架底部,具有设计高效灵活、生产制造独立性好等优点,是乘用车广泛采用的动力电池包结构形式,如日产Leaf、众泰云EV和吉利帝豪EV。
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箱体分布式

标准箱体分布式是通过几个相同或者结构近似的标准箱体电池包串并联形成电池系统,具有布置灵活,安装位置多样等特点,空间较大且规整的客车或专用汽车多采用该种结构形式,如宇通E10 纯电动客车,如图1-3 所示。
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车身结构一体式

随着电动汽车续航里程的需求不断提高,空间受限的传统汽车结构无法满足最优设计要求,车身结构一体式电池包结构布置形式逐渐受到重视,电动汽车正向设计技术的成熟使得电动汽车专用设计平台出现,如图 1-4 所示的广汽 GEB 电动汽车专用设计平台。
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电动汽车续驶里程需求增加和汽车正向设计技术提升促使车身设计与电池包结构协同开发,力求车身结构紧凑同时电池包性能较优,平台化、模块化的车身结构一体式动力电池包逐渐增多,如搭载大众MEB平台的奥迪Q4 e-tron、特斯拉TESLA平台设计的Model S和Model X等车型。

二、电池模组的优化

系统设计层面下电池包轻量化设计首先从电芯参数和单体尺寸选择开始,不同化学体系与尺寸参数下锂离子动力电芯与动力电池系统存在匹配设计问题,通常需在电池系统概念设计阶段计算确定。然后通过优化电池包箱体内部布置、减少设计层级,实现箱体空间最大利用率,例如,宁德时代(CATL)提出的无模组设计技术(Cell To Pack CTP),图 1-6为CATL 某种CTP系统结构设计。

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CATL在该CTP设计中采用单体和电池管理系统直接固定在电池包壳体中,电芯内置在上下壳体中,壳体内部填充导热胶,电芯侧壁和电芯壳体间内置压力或者温度传感器,两种传感器协同作用下能够排查不良电芯单体,并且提前探测到电芯可能发生热失控等安全事故。

该设计形式不采用模组结构,使电池包体积利用率提升了15%-20%;电芯单独装配,降低装配难度,提高生产效率约 50%;同时实现故障电芯的及时检测与更换,电芯壳体加强方案可降低电池包外壳的防护等级。


三、 新型成组方式


(1)大模块设计。

将单体电芯的尺寸和容量增加,致使每个单体电芯分摊的结构件质量减少。例如,CATL大模组设计结构,参见图 1-7,通过大模组设计取消了现有技术中的电池箱体,直接将电池模组通过固定件穿过支撑套筒与安装梁安装在整车上,实现电池包轻量化同时提高了电池包在整车上连接强度。
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(2)一体化设计。

减少电池包模组等中间层级,将单体电芯尺寸做到最佳,提高箱体空间利用率。例如,比亚迪(BYD)提出的“刀片电池”电池包设计方案,如图所示,通过设计出一种扁平化大尺寸电芯,采用阵列排布方式布置于电池包箱体内部,单体电池就像“刀片”一样插入到电池包中,该设计能使电池包比能量提升50%左右,生产成本降低约30%。
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四、轻质材料应用

目前锂离子单体电芯能量密度提升缓慢,箱体减重设计是十分有效的电池包轻量化途径,而轻质材料应用对电池包箱体减重效果十分明显。

目前应用较为成熟的轻质材料有铝镁合金和复合材料两大类,铝、镁、钛合金是目前金属材料体系中密度较小的轻质材料。铝合金具有重量轻、回收利用、抗氧化性好,是目前轻质电池包箱体的常用材料,考虑到箱体结构强度的影响,压铸型铝箱与挤压-拼焊铝箱多用在电池包下箱体,冲压-拼焊铝箱一般用在电池包上箱盖,如图所示。

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复合材料显著特征是重量轻、绝缘性好及成型加工简便,各种复合材料制成的汽车零部件正在替代部分金属零部件,如发动机罩、油底壳、电池包上箱盖等。复合材料在电池包中应用实例如图所示。
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复合材料受制于原材料、生产成本等因素,目前电池包中应用较多的复合材料有玻璃纤维增强塑料(SMC)、改性树脂等,SMC制成的电池包上箱盖比传统金属材料上盖减重约为38%,碳纤维复合材料(CFRP)应用也在逐渐增多,复合材料减重效果明显。

部分企业尝试将复合材料应用在电动汽车下底板,但复合材料刚度特性较差,需要加厚尺寸或者采用夹层结构来提升结构的抗弯特性,电池包下箱体设计成夹层结构并在中间层增加金属或者蜂窝铝结构,具有轻质高强、耐撞性好等诸多优点。


五、极限设计


极限设计是指在产品详细设计阶段进行性能优化或后期对产品进行设计改良,极限设计需清楚设计的临界值,不仅要满足各项性能要求,还需满足零部件加工、产品装配工艺要求。

极限设计通常借助计算机辅助设计(CAE)对产品各项性能临界值和生产工艺参数探索,通过CAE仿真分析技术精准定位,例如将电池包箱体承载部位加强设计,而非承重部位使用薄壁材料,箱体不同位置变厚度实现结构性能满足设计要求又尽可能减重。

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多材料电池包结构优化现状

轻质材料应用在电池包结构轻量化中具有较为明显的减重效果,目前动力电池包设计中常用的轻质材料有镁铝合金、复合材料和工程塑料等,下表为常用轻质材料性能参数及特点。
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镁铝合金、复合材料等轻质材料在电池包结构轻量化设计中减重效果显著,但目前轻质材料应用在电池包结构设计中存在以下不足:1)  结合电池包关键性能开发出性能和轻量化效果均优的电池包结构欠缺,可借鉴的研究成果、设计方法不多;2) 合适的材料用在合适的位置在电池包结构设计中已有初步应用,但对电池包多材料选型方法,结合性能约束的多材料设计方法研究不足。

参考素材:车用动力电池包多材料结构优化与轻量化设计,陈元


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