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編者按：汽車輕量化將有效緩解能源污染問(wèn)題，減輕汽車重量，提高安全性能，對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有積極的作用。

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，汽車輕量化越來(lái)越受到人們的重視。輕量化對(duì)汽車節(jié)能減排的效果直接而顯著，試驗(yàn)證明，對(duì)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(duì)于新能源純電動(dòng)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(shí)汽車質(zhì)量的降低可減小汽車制動(dòng)距離，提高安全性能。所以，無(wú)論是對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車，還是對(duì)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(jiǎn)單地將整備質(zhì)量減輕，而是在保證強(qiáng)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(shí)現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)性的兼顧統(tǒng)一。電池包箱體作為動(dòng)力電池的承載和防護(hù)機(jī)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(shí)政策對(duì)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(qiáng)的緊迫性。

 

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

 

 

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(yán)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(shì)，需要進(jìn)行輕量化改進(jìn)。目前針對(duì)電池包箱體輕量化的主要手段為輕量化材料應(yīng)用和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

 

 

電池箱輕量化材料應(yīng)用主要包括鋁合金材料、高強(qiáng)鋼材料和復(fù)合材料的應(yīng)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(yīng)用，鋁合金箱體成為電池箱體發(fā)展的一個(gè)重要方向。

 

鋁是最常用的金屬材料之一，同時(shí)也是地殼中分布最廣、儲(chǔ)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(shè)計(jì)范圍大、模具開(kāi)發(fā)成本低、材料性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)獲得了大量的關(guān)注。

 

高強(qiáng)鋼強(qiáng)度大幅提高，可實(shí)現(xiàn)箱體的薄壁化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕量化，且高強(qiáng)鋼相對(duì)于其他材料具有成本優(yōu)勢(shì)，通過(guò)高強(qiáng)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(gè)重要方向；復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)良性能，在動(dòng)力電池包輕量化方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。熱塑性復(fù)合材料具有可重復(fù)使用、成本低、成型快等特點(diǎn)，是電池包箱體制造的理想材料。熱塑性復(fù)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(fù)合材料成型，如SMC、BMC等，已廣泛應(yīng)用于電池包生產(chǎn)。碳纖維復(fù)合材料的高成本是限制其在汽車行業(yè)應(yīng)用的主要問(wèn)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(diǎn)。研發(fā)快速固化樹(shù)脂與預(yù)浸料，提高成型節(jié)拍是降低碳纖維復(fù)合材料成本的主要措施。隨著復(fù)合材料的成本逐步降低，未來(lái)復(fù)合材料有望實(shí)現(xiàn)在電池包箱體上的大規(guī)模應(yīng)用。

 

此外，多材料輕量化動(dòng)力電池包設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。在不同部位應(yīng)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(shè)計(jì)同時(shí)減小質(zhì)量和成本。針對(duì)混合材料電池箱體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和異種材料連接技術(shù)是關(guān)鍵。

 

 

電池箱輕量化不僅涉及輕量化材料的應(yīng)用，而且與箱體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)密切相關(guān)，優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的一個(gè)重要途徑。通過(guò)CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)對(duì)電池箱總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)箱體零部件的精簡(jiǎn)、整體化和輕量化，已成為電池箱體開(kāi)發(fā)中主要的設(shè)計(jì)方法。

 

利用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電池箱體實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì), 對(duì)各構(gòu)件的開(kāi)頭配置、板材厚度的變化進(jìn)行分析, 并可從數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)行工程分析和剛度、強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)于采用輕質(zhì)材料的零部件, 還可以進(jìn)行布局進(jìn)一步分析, 使輕量化材料能夠滿足箱體設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。

 

電池包箱體輕量化設(shè)計(jì)方法主要有拓?fù)鋬?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(shè)計(jì)過(guò)程中即概念設(shè)計(jì)階段一般采用拓?fù)洹⑿蚊埠妥杂沙叽绲膬?yōu)化手段；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后期，對(duì)具體的技術(shù)要求，需要詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)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(dá)到具體的設(shè)計(jì)要求。如某鑄鋁電池包箱體的拓?fù)浞治?，支架安裝位置全約束，模擬電池包實(shí)際安裝情況，同時(shí)以國(guó)標(biāo)擠壓工況受力分析為邊界；設(shè)計(jì)響應(yīng)為電池包的應(yīng)變能和質(zhì)量；目標(biāo)為質(zhì)量最??；約束為體積減少為初始的80%。經(jīng)過(guò)多次迭代獲得電池包相對(duì)密度云圖，如圖4所示，紅色區(qū)域?yàn)槊芏冉咏?的部分，對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的貢獻(xiàn)較大，是必須要保留的或者是要加強(qiáng)的區(qū)域。藍(lán)色部分的相對(duì)密度較低，對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的貢獻(xiàn)小，是我們做輕量化重要的減重途徑。當(dāng)然拓?fù)鋬?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(shè)施。

 

電池包安全性需考慮熱管理，其不僅對(duì)電池的循環(huán)壽命、工作溫度起著重要影響，對(duì)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(duì)此類冷板結(jié)構(gòu)，要單獨(dú)放在電池箱體上，利用CFD仿真技術(shù)和參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)冷板流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證電池的散熱性。同時(shí)結(jié)合流固耦合仿真對(duì)冷板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，保證冷板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此外，將熱管理系統(tǒng)集成于箱體結(jié)構(gòu)中是目前實(shí)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(shè)計(jì)以及流固耦合的方法，來(lái)對(duì)內(nèi)部流道以及結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)實(shí)現(xiàn)了電池包整體的輕量化，也避免了單獨(dú)冷板在惡劣工況下的泄露。