【汽車】新能源汽車動力電池箱體輕量化技術分析
1動力電池箱體概述
通過對新能源汽車與傳統燃油汽車進行對比，發現新能源汽車在技術方面的要求較高[2]。通過與國外新能源汽車進行對比，發現中國電動商用車總體上增重15%～30%。根據電動乘用車的增重來看，增重為10%～15%，總體水平較低。所以，有必要對其進行輕量化研究。所謂的輕量化是指在確保剛強度、模態、安全性能的前提下，用現代化設計方法在降低汽車重量（即達到輕量化目標）的同時，盡可能保持汽車性能、減重和降低成本的相對平衡[3]。
在電動汽車構成中，動力電池系統的重量在整車中占比不低于30%。動力電池過重的話，會影響電動車的續航能力。在節能和新能源汽車技術路線圖中提出，截至2035年，純電動乘用車輕量化系數總體上將會下降到35%。通過車輛輕量化系數等指標對整車輕量化進行詳細的評判。對動力電池系統的各個部件進行分析后發現，質量最大的是電芯本體，其次是電池箱體[4]。因此，電池箱體輕量化也成為純電動汽車近年來的研究熱點。
在對特斯拉Modal 3動力電池系統進行解體，并對各質量部件質量進行統計發現：在總箱體中，電池箱體的質量占總體比重的9.5%（見圖1）。
在動力電池中，電池箱體是除電芯以外的核心部件[5]，同時也是電動汽車高定制化必不可少的零部件之一。從當前純電動汽車來看，基本上是將傳統汽車平臺作為基礎，把動力電池箱當作一個相對獨立的個體，將其裝到汽車底盤上，再通過IP67級別的密封膠墊對中間結合面進行密封。
2動力電池系統輕量化現狀
通過對傳統燃油汽車與電動汽車進行對比，發現電動汽車具備電池、電機、電控三大核心電系統[6]。從總體上來看，動力電池箱體在整車整備質量中占比為18%～30%，且動力電池箱體的質量與電動汽車續航里程之間成正比關系（見圖2）。由圖2可知，雪佛蘭Bolt、特斯拉Modal 3等的續航里程都比較大，其動力電池箱體的質量占比在26%以上。由此可見，做好對電動汽車動力電池輕量化研究的意義重大。
從目前來看，動力箱體輕量化研究被各大車企所重視，在高強鋼、鋁合金等輕量化材料和技術工藝方面有著較為深入的研究、發展和應用。由于動力電池箱體的質量占比相對較高，各車企更加重視對新能源汽車動力電池箱體的輕量化研究。例如，Nissan Leaf系列的動力電池箱體，第一代動力電池箱體含電為24kW·h，整包質量為272kg；第二代動力電池箱體含電為30kW·h，整包質量為293kg；第三代動力電池箱體含電為40kW·h，整包質量為303kg。即在同等電量的前提下，每一代Leaf系列的電池都實現了明顯減重。本研究主要對動力電池箱體輕量化研究和發展進行分析。
3電池箱體輕量化研究及發展
3.1電池箱上蓋輕量化
電池箱的上蓋位于動力電池箱體的上方，不受動力電池箱體側面的影響，也不會影響整個電池組的質量，只具備密封作用。電池箱上蓋能將電池模組密封到動力電池箱體內部，具有良好的密封效果[7]。
在前期，電池箱上蓋一般為沖壓鋼板，如特斯拉Modal 3采用的是0.8 mm厚的沖壓鋼板，也有采用深沖鋁合金的電池上蓋。與鋼板相比，鋁合金上蓋的減重效果較為明顯，如采用厚度為1.5～2.0mm的鋁合金上蓋可減重20%～30%，但與鋼板相比，其沖壓性能明顯下降。
如果下箱體擁有一定強度，上蓋就能采用輕質增強塑料來完全替代金屬。如以PP和PA為基材的增強塑料，但存在明顯的缺點，如熔點較低、電磁適用性不強，很容易造成較大的安全隱患，且PA具有極強的吸濕性，從而導致生產成本較高。一般情況下，使用3mm厚的PP玻纖增強復合材料就能完全替代1mm厚的沖壓鋼板，能減輕一半的重量。通常情況下，電池上蓋以非主要承重部件為核心，其還能在一定程度提升箱體強度。因此，還可采用碳纖維來增強箱體強度，從而起到減重的作用，但碳纖維的成本高。
3.2電池箱下箱輕量化
動力電池箱的下箱體是電池箱的主要部分。一般情況下，其可抵御外部的沖擊，保護電池模組與電芯[8]。在電動汽車內部，電池下箱體的安全系數比較高。一般情況下，電池下箱使用鋼、鋁或增強塑料。一是以鋼材料為主的電池下箱體，采用沖壓、焊接工藝成型，強度和剛度相對較高，成本相對更低，但質量更大，如Nissan Leaf早期的電動車就采用鋼制的電池箱體。但其對電動汽車的續航會造成一定影響。目前，傳統鋼制電池下箱體已停止投入使用。二是以鋁材料為主的電池下箱體與鋼板下箱體進行對比，發現沖壓鋁板下箱體的重量低，但其沖擊強度有待提升。即將車身與底盤等充分且有效地結合，進而實現動力電池箱體輕量化的目標，如特斯拉Model 3。
與鋼制電池箱下箱體相比，鋁壓鑄電池下箱體的優勢較為明顯，能對其形狀與壁厚展開科學合理的設計，但鋁壓鑄電池箱體的尺寸較小，一般用于PHEV車型上。
目前，消費者對續航的要求越來越高，對電池電量的需求也非常大。因此，電池箱體的尺寸也明顯變大。目前，很多車企都采用鋁擠出型材、攪拌摩擦焊工藝成型的下箱體底板，與4塊側板焊接，從而組成一個整體（見圖3）。
與鋼制電池相比，鋁型材電池下箱體能減重超30%，較為容易成型，且電池箱體的尺寸較大，對較大車型較為適用，但鋁型材的成本高。因此，可選擇一些強度更高的鋁型材，如Constellium的HSA6，其性能比較高，拉伸強度也超過400MPa，與普通鋁型材下箱體相比，還能再減重20%～30%。
電芯能量密度有著很大的技術瓶頸，要在增加電池箱體能量密度的同時，降低電芯以外部件的質量，電池箱體減重是關鍵[9]。目前，在不降低強度的前提下，能減少40%的重量。因此，本研究將碳纖維、玻璃纖維同時混入其中，并根據實際情況對兩種纖維含量不斷進行調整，但其總含量要高于40%。在滿足沖擊強度等基本性能的前提下，得出最佳的材料比例。最終，動力電池箱體減重約31%。
4動力電池箱體的輕量化途徑
在動力電池輕量化過程中，基本上是從結構、材料與工藝等方面出發進行設計的（見圖4）。
4.1結構優化
一般情況下，采取CAD、CAE、CAM一體化技術對純電動汽車動力電池箱整體結構進行設計，通過輕量化數據庫系統剖析動力電池箱體，計算其強度，從而保證動力電池箱體的質量。通過多種方法實現對結構拓撲和厚板減厚優化。
截至目前，國內在新能源汽車安全碰撞方面沒有統一的標準。因此，各大車企要使用ANSYS等軟件對其進行仿真輕量化設計，細致分析電池箱體的剛度結構、材料強度、材料疲勞度等，并對輕量化后的動力電池箱體進行必要的安全碰撞分析，全面提升汽車的安全性。表3為我國汽車輕量化階段目標。
4.2材料輕量化
輕量化材料是指密度較低、強度較高，且具備一定承重性的材料，鎂合金、鋁合金、高強度鋼、碳纖維等是目前常用的輕量化材料。根據電池箱體的結構，電池箱體上蓋不會承受側面與底面帶來的壓力，對整個電池組的質量不會發揮任何作用，其只具有一定的密封性。如果下箱體擁有一定的強度，那么上蓋就能夠采用PP基材增強塑料，可減重約50%。如奇瑞EQ1就使用全鋁車身，電池箱體的上蓋采用PP+LGF材料，從而實現減重的目的。
很多學者對碳纖維材料動力電池箱體的設計進行分析，發現碳纖維電池箱體對減重具有顯著的成效，根據其占據的具體比重來看，可達52.17%，動態性能與靜態性能都滿足相關要求。另一方面，碳纖維的成本高，而PP、PA基材料的強度總體上比較低。
4.3底盤和電池包箱體的集成化
動力電池箱體與其底盤的安裝位置能夠重合，這是動力電池增重的核心因素，底盤與動力電池包箱體的協同優化設計對電動汽車輕量化研究具有重要意義。
寧德時代在公司技術規劃中提出，在2022—2023年，電池包的能量密度要達到230～260 W·h/Kg，這要與整車廠建立友好的合作關系，對新型電池箱體構件進行開發。
美國能源局與Stanford大學對純電動汽車底盤-動力電池項目進行系統分析，可把電池箱體和底盤結合在一起，整車質量至少降低40%，并對底盤以及相關部件結構加以優化。
特斯拉Model 3電池包具有極強的創新性（見圖5），采用3.2mm鋁板沖壓后成型為2150mm×1450mm×103mm的下托盤，使用0.8mm沖壓鋼板做上蓋，通過螺紋連接與點焊法，把動力電池的上蓋和下托盤整合到一起，從而形成一個完整的整體。電池包重量下降到478kg，與80.5kW·h的Model S相比，減重約15%。
5結論
根據現有新能源汽車輕量化研究來看，對電池箱體輕量化展開系統分析尤為重要。可通過優化箱體結構、使用高強度復合材料等方式，實現電池箱體的輕量化。隨著時代的進步，電池箱體和底盤集成朝著一體化方向發展，把電芯安裝在底盤中，這樣使整車的彎曲強度與扭曲剛度能得到充分的滿足，從而對整車的質量展開系統控制。
2023第一屆復合材料HP-RTM工藝技術交流會暨自動化成型裝備演示培訓會
隨著復合材料工藝制造水平的提高，生產規模的不斷擴大和自動化程度的巨大進步，復合材料被更廣泛地應用于航空航天、汽車、軌道交通等領域，其應用水平已經成為衡量新一代裝備先進性的重要標志。我國復合材料在全球約占30%的市場份額，因此前瞻性、適時性地對復合材料行業的發展背景、產銷情況、市場規模、競爭格局等行業現狀進行分析，并結合多年來復合材料行業發展軌跡及實踐經驗，對復合材料行業的未來進行探索，有著極為重要的意義。
HP-RTM工藝是近年來推出的一種應對大批量生產高性能熱固性復合材料零件的新型RTM工藝技術，采用配套預成型技術，通過在密閉抽真空模腔內高壓混合注射完成樹脂對纖維的浸漬和固化，可實現低成本、短周期（大批量）、高質量生產。
會議由復材網、天津市天鍛壓力機有限公司主辦，廊坊市飛澤復合材料科技有限公司、湖南精正設備制造有限公司協辦，將于8月3-5日在天津市舉辦“2023第一屆復合材料HP-RTM工藝技術交流會暨自動化成型裝備演示培訓會”。會議期間，還將安排參觀天津市天鍛壓力機有限公司、廊坊市飛澤復合材料科技有限公司，觀摩成型裝備及生產現場操作演示，在實踐中學習高效、低成本、定制化的輕量化解決方案，共同探討復合材料新技術、新應用和新發展，助力企業頂層設計及戰略規劃，在市場競爭中占據領先優勢。
誠邀國內外復合材料生產企業、產業鏈上下游企業、專家學者和行業同仁蒞臨本次大會，進行學術交流和商務合作！
主辦單位：
中國復合材料信息網（復材網） / 天津市天鍛壓力機有限公司
協辦單位：
廊坊市飛澤復合材料科技有限公司 / 湖南精正設備制造有限公司
會議主題：
材料變革•工藝創新•裝備強國•智造未來
會議時間：2023年8月3-5日
會議地點：中國•天津
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會 議 日 程
Meeting schedule
會議報到
2023年8月3日
下午-大會報到，對接交流
下午-閉門會議（僅限受邀）
產業鏈生態構建對接交流會
晚上-自助晚餐
大會當天
2023年8月4日
上午-航空航天、汽車、軌道交通等行業復合材料市場趨勢及HP-RTM工藝應用分析
中午-自助午餐
下午-HP-RTM、Surface-RTM、C-RTM、PCM新工藝 新材料 新技術 新應用相關報告
晚上-歡迎晚宴，對接交流
參觀企業
2023年8月5日
上午-天津市天鍛壓力機有限公司
參觀地址：天津市北辰區小淀鎮津圍公路東
下午-廊坊市飛澤復合材料科技有限公司
參觀地址：廊坊安次區河北廊坊高新技術產業開發區鳳翔路255號
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參 觀 企 業
Visiting enterprises
天津市天鍛壓力機有限公司
始建于1956年，是我國第一臺液壓機誕生地，坐落于中國北方經濟中心、環渤海經濟中心和國際港口城市—天津。歷經60多年的積累、創新與發展，始終保持行業領軍地位。公司以研發、生產、制造和裝備液壓機產線為主，研制航空航天和汽車輕量化等領域高端零部件及先進工藝為輔，集科研、生產、貿易、服務于一體的國家級高新技術企業。
作為國內液壓機行業領跑者，國家制造業單項冠軍示范企業，全國200家創建世界一流專精特新示范企業，經過數代人努力拼搏，“天鍛”品牌液壓機在國內外享有良好的口碑和市場美譽度。目前，公司緊緊圍繞戰略性新興產業的發展，以工藝為中心，逐步做全做強產品產業鏈，可設計生產87種系列、1800余種規格的壓力機及成套自動化產線，產品規格從10噸-70000噸，廣泛應用于航空航天、新興能源、汽車制造、船舶運輸、軌道交通、石油化工、輕工家電等領域，不僅為國內重點項目、重大工程提供重型成形裝備，且產品出口歐洲、美洲、東南亞等40余個國家和地區。
2022年8月天鍛正式加入中國通用技術集團，站在新起點，依托央企平臺賦能，服務國家重大戰略，持續不斷在卓越管理、科技創新、市場營銷、機制改革、資源統籌等方面發力，把握歷史機遇，奮進新征程。
廊坊市飛澤復合材料科技有限公司
成立于2019年2月，位于河北廊坊高新技術產業開發區內，注冊資金1.8億元人民幣，最大股東是中國石化資本公司，通過股東資源的協同，促進公司跨越式發展。飛澤復材2021年底通過戰略投資控股廊坊萬泰復合材料有限責任公司。公司秉承“用 XIN SHI 干”的核心價值觀，立足于復合材料輕量化核心業務，堅持“應用性、產業性、關鍵性、前瞻性”技術主導，兼顧“質量、成本、效率”三個維度，全面推進“新材料、新結構、新裝備、新工藝、新方法”和“研發與量產”應用，專注為汽車、風電、軌道交通、航空航天等領域客戶提供“結構設計、模擬分析、材料研發、工藝試制、試驗驗證、量產交付”的全流程解決方案。
飛澤復材是國內率先實現汽車領域碳纖維復合材料零部件大批量生產的高科技企業，公司擁有VARI、RTM、預浸料袋壓（OOA）、預浸料模壓、熱壓罐、拉擠等傳統工藝，以及濕法模壓、HP-RTM、Surface-RTM等新型工藝的研發、試制及量產能力，通過多個項目的量產交付，實現了碳纖維復合材料在汽車領域的規模化、快速化、自動化生產。
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