隨著人們出行越來越多地使用汽油、柴油等化石能源，機動車每年排放大量的CO?，地球的環境溫度正逐漸上升。過多的燃油消耗也使我國原油對外依存度在2016年就已經遠超國際安全警戒線，高達65. 4%。我國的汽車保有量正逐年增加，截至2018年12月底，汽車保有量已經高達2. 4億輛。為了應對日益迫切的氣候危機及我國能源對外依存度問題，需要大力發展新能源動力汽車。目前新能源汽車261萬輛，僅占2. 4億輛機動車保有總量的1. 09%，仍 有非常大的發展空間。

 

　　多國均推出了鼓勵發展新能源汽車的政策，我國工信部推出的2018 新能源汽車政策中補貼較以往減少了20%，但是新的補貼方案更加鼓勵電池能量密度高、續航里程高、百公里耗電量低的車型，這大大激勵了整車廠對高續航、高能量密度電池系統的電動汽車開發。降低整車的質量能夠提高電動汽車的續航里程，緩解人們的里程焦慮，并且同時降低了對百公里行駛電耗成本和電池總電量的需求，降低了電池的使用成本，這使得新能源汽車的輕量化效果比燃油汽車更加顯著。國內某型號的純電動城市客車，其質量減輕100、500、100、1500kg 以及2000kg，續 航 里 程 分 別 增加0.55%、2.83%、5.83%、9.01%及 12. 38%。

 

 

　　較傳統燃油汽車而言，電動汽車多出了核心的三電系統( 電池、電機、電控) ，其中電池 Pack 整包占整車整備質量的18%～30%，電動汽車的續航里程越大，其電池Pack質量占整車質量比重越大，如圖 1 所示。續航里程較大的雪佛蘭Bolt、奔馳EQC、捷豹I pace 以及Model 3 等，其電池Pack質量占比均超過了26%，因此對能源汽車動力電池系統進行輕量化開發就顯得尤為重要。

 

 

　　傳統燃油車的輕量化研究已經受到了廣大車企的重視，高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料及激光拼焊、熱成型、液壓成型、輥壓等輕量化材料和工藝都得到了深入研究和廣泛應用。新能源汽車由于電池Pack質量占比之大，不得不讓各廠家均不斷對電池Pack系統進行輕量化優化開發，如 Nissan Leaf代、第二代、第三代電池Pack含電24、30 及40kW·h，其Pack整包質量分別為272、293 及303kg，在同等電量下每代Leaf 的電池Pack均實現了不斷減重。大眾e-Golf 第二代含電35.8 kW·h，質量314kg，與代含電24.2kW·h 電池Pack 質量幾乎相同。電動汽車中輕量化開發較優秀的如特斯拉Model3，電池Pack整包含80.5 kW·h 的電量，質量僅478 kg，整車整備質量已經和同級別轎車無異。

 

 

　　電池Pack各主要部件中，質量大的是電芯本體，其次為Pack下箱體、上蓋BMS集成部件等。對特斯拉Model3 電池Pack拆解后稱量各部件質量進行質量統計，見圖3，電芯占據整個電池Pack質量的62.8%，其余部件為37.2%。

 

 

　　考慮用小質量的電池 Pack 存貯更多的電量，除了提高電芯能量密度之外，還需要降低除電芯中發生電化學反應的正極、負極、隔膜、電解液以外其他所有部件的質量，如電芯殼體、模組殼體、鋁片、膠水、線束、連接片、Pack 箱體及上蓋等。關于電池Pack的具體結構，SAW等研究了不同類型的電芯、模組、電池箱體、熱管理部件、電池監控單元等部件如何系統地有效集成為一個電池Pack。

 

　　本文作者將從電池Pack的各個部件、模塊系統論述如何通過材料替代、優化設計以及電池Pack與底盤集成方案對電動汽車動力電池系統進行輕量化開發。

 

 

　　整車輕量化可以通過輕量化系數來評價，它為包中整備質量、投影面積、扭矩、油耗等系數的復雜函數值。電芯的輕量化系數在業界內暫無的計算方法，目前可以用電芯能量密度來簡單評價電芯的輕量化水平，即電芯能量密度 ( 質量能量密度) 越高，其輕量化水平越高。電芯的能量密度直接決定整個電池系統能量密度的上限，提升電芯能量密度也是提高電池系統能量密度有效的辦法。

 

　　汽車市場批量化生產應用的動力電池體系主要有兩種:( 1) 磷酸鐵鋰動力電池; ( 2) 三元鋰動力電池 ( 鎳鈷錳及鎳鈷鋁體系) 。磷酸鐵鋰電池能量密度低，但安全性高，多用于專用車及客車; 三元鋰電池由于能量密度大、續航里程高，主要用于乘用車。

 

　　目前國際鋰離子電芯能量密度高為Panasonic 的21700 圓柱NCA體系電芯，其余主流廠家量產的電芯能量密度及體系見表 1。

 

 

　　由于技術原因國內暫無廠家能量產NCA體系電芯。國內多家電芯廠商的NCM (811) 電芯技術路線體系均規劃到2022年，其電芯能量密度可達到300～350 W·h/kg?，F有NCM ( 811) 體系電芯的能量密度在短期內無法突破350 W·h / kg。各地高校、研究 所、廠家均正在大力研究以期能盡快突破并達到量產高能量度的電芯體系，目前在研較熱門的3 個體系為固態電池、鋰硫電池、鋰空氣電池，見表 2。

 

 

　　MISHＲA 等討論了近期鋰離子電池正負極電極材料的發展并思考了未來的發展趨勢。詹元杰、武懌達等對近期的300 篇鋰離子電池論文進行了系統討論，較為全面地介紹了當今鋰離子電池的研究方向及突破。

 

　　電芯的輕量化系數 ( 能量密度) 更多地依托于新的高能量密度材料體系，含新的正負極材料、隔膜、電解質等。電芯其他部件中，如降低電芯殼體質量，也是降低電芯質量的措施。方形及圓柱電芯外殼由于需要一定的強度，多采用鋁合金或不銹鋼，未來可考慮強度更高的 7 系鋁合金并通過降低厚度來達到減重的效果。軟包電芯的鋁塑膜較圓柱和方形電芯外殼具有天然的輕量化優勢，故同體系、同電量電芯中，軟包電芯質量會小。僅從電芯方面來看，軟包結構是電芯輕量化的未來方向。

 

 

　　電芯模組是包含若干電芯的一個電池模塊，其作用是吸收電芯內部產生的應力及沖擊，一是由于溫度變化導致電芯產生的熱脹冷縮，二是充放電導致的電芯體積變化。模組形狀主要為方形，它主要由上蓋、側板、絕緣板、下塑料支架、上塑料支架、鋁片等部件構成。

 

　　電芯模組的輕量化開發可以從模組殼體材料輕量化和模組結構輕量化設計及電芯優化排布入手。殼體材料可以采用全鋁合金或者采用 7 系高強度鋁合金并降低材料厚度來進行輕量化; 模組的結構輕量化設計及電芯優化排布，可以通過改進模組和熱管理系統的設計來縮小電芯間距，以及錯位排布來提升空間利用率，大限度地利用空間。模組內電芯的安裝使用全塑料外框架，能大限度減輕質量; 在考慮安全的前提下，使用密度很低的灌封膠，解決模組層級的傳熱問題。模組其他部件中，如匯流排由銅替換為鋁進行降重，并且可以進行挖孔設計，既減輕了質量，也起到了保險作用。LIU 等研究了如何設計18650 電芯的優化排布來提升空間利用率及耐沖擊性能。

 

　　電芯模組的尺寸可以由車企高度定制化，減少模組的數量可以大幅降低模組殼體及其他附件質量，如Model3 的電池Pack僅采用4個模組。目前越來越多的車企采用VDA標準模組，可以降低成本、提高電池匹配的靈活性。對于模組輕量化而言，各電池廠商統一標準的模組更利于后續輕量化材料、工藝的大規模推廣。

 

 

　　電池箱體是電動汽車高度定制化的零部件，也是電池Pack中除電芯外質量重的組件，有 T 字形、土字形、方形等。不同形狀、尺寸的箱體一般均放置在汽車地板下方的安裝支架上。電池箱體分為上蓋和下箱體兩部分，兩部分用螺栓或者其他連接方式連接，中間被密封膠墊隔開達到 IP67 防水。

 

 

　　電池箱上蓋位于電池Pack上方，不承受側面及底面的沖擊，也不支撐整個電池組的質量，僅僅起密封作用。將電池模組密封于整個Pack箱體中，達到IP67或其他標準的密封效果。

 

　　電池箱上蓋前期采用沖壓鋼板，如Nissan Leaf、BMW I3、Tesla Model3均采用 0.8 mm厚度沖壓鋼板。也可采用深沖鋁合金板進行輕量化開發，較鋼板有明顯減重，使用厚度 1.5～2.0mm 鋁合金上蓋替代沖壓鋼板 可以降重20%～30%，但上蓋鋁合金在沖壓性能上受到極大限制。若下箱體有足夠的強度和剛性，上蓋可以采用輕質增強塑料替代金屬的方法進行輕量化，可采用 PP和PA為基材增強塑料。電池箱體上蓋使用塑料制品的缺點是其電磁適用性以及低熔點會造成較大的安全隱患。PA 比 PP 的吸濕性更強，其成本也高于PP，故選擇厚度3mm的PP玻纖增強復合材料來代替1mm厚的沖壓鋼板，降重可以達到50%。全鋁車身的奇瑞小螞蟻eq1電池箱上蓋也采用了PP+LGF材料來進行進一步的減重。

 

　　電池箱上蓋雖然為非主要承力部件，但箱體上蓋也可以發揮輔助提升箱體強度的作用?；诖耍仙w可采用碳纖維加強箱體強度以及進一步減重。通過研究1.5 mm厚鋁板 ( 方案一) 、1. 5mm 厚碳纖維加強筋結構 ( 方案二) 及 0.5mm 厚碳纖維+3mm 厚鋁蜂板+0.5mm 厚碳纖維 ( 方案三) 3 種結構方案，選定第三種方案，它較鋁合金可以減重31%。LIU等采用 ＲBDO 方法對電池箱碳纖維上蓋進行了模擬研究，其結果表明 CFＲP上蓋相較3mm 厚 Carbon-SMC 材料的 6.324kg 上蓋再次降重到4.924 kg，降重比例達到22.14%。

 

　　由于碳纖維成本較高，以及PP、PA 基材復合材料的強度也偏低，目前絕大部分塑料上蓋采用 SMC 復合材料模壓而成。SMC 密度1.75～1. 5 g / cm3，厚度一般為2.5 mm。它較沖壓鋼板可以減重20%～30%，較鋁合金上蓋而言，雖并沒有明顯的減重效果，但是 SMC模壓工藝可以制造深度非常大的上蓋，可大大減小下箱體的高度，降低下箱體的質量，間接降低了整個箱體的質量。因此單雙層模組排布的箱體以及單層模組排布的箱體越來越多地采用模壓SMC制造箱體上蓋，上蓋高度可以與下箱體高度達到較大的比例。部分車型電池箱上蓋材料及質量見表 3。

 

 

　　作者對吉利某車型電池箱體上蓋的初步擬定同一結構的不同材料進行成型后質量的計算及對比，見表4。

 

 

　　鋁板上蓋較鋼板減重23%，SMC上蓋較鋁板減重5%，PP +GF上蓋較鋁板減重32%，長安C206車型模壓SMC上蓋見圖 3。

 

 

 

　　電池箱下箱體承擔著整個電池組的質量以及自身的質量，并且抵擋外部的沖擊，保護電池模組及電芯，是電動汽車重要的安全結構件。電池下箱體材料一般為鋼、鋁、增強塑料。采用沖壓、焊接工藝成型的鋼制電池下箱體，能夠提供非常好的強度及剛性，成本也較低，但是質量較大，早期電動汽車如 Nissan Leaf、Volt 采用鋼制電池箱體。但低成本、質量大的鋼制電池箱體大大制約了電池 Pack 的能量密度，影響電動汽車的續航，故傳統鋼制電池下箱體技術路線已經基本被拋棄。

 

　　沖壓鋁板下箱體較鋼板下箱體能明顯降重，但是由于其拉延深度以及震動、沖擊強度不足等問題，需要能力較強的車企結合車身、底盤進行集成設計來達到輕量化的目的，如 TeslaModel 3。

 

　　鋁壓鑄電池下箱體相較于鋼制電池下箱體有較多的優勢，能夠靈活地設計其形狀和壁厚，能集成電池箱體側壁吊耳、冷卻通道以及其他部件整體壓鑄成型。但是壓鑄電池箱體尺寸偏小，從而限制了其在大型電動車上的使用。它更多地用 于PHEV 車型， 如大眾 Golf GTE插電混動壓鑄電池箱、Audie-tron和 BMW X5 插電混動電池箱，如圖 4 所示。

 

 

　　隨著消費者對續航的要求越來越高，電池電量需求也越來越大，電池箱體的尺寸也相應地變得更大。目前車企普遍使用鋁擠出型材、采用攪拌摩擦焊工藝成型下箱體底板，并與 4 塊側板焊接成型為下箱體總成，如圖 5 所示。優點是較鋼制電池箱體能減重30%以上，相較鋁壓鑄電池箱體而言能成型尺寸更大的電池箱體，適應較大的車型。鋁型材成本較低，能提供較大的強度及剛性，制約鋁型材電池箱體大技術難點是連接技術以及尺寸控制問題。目前主流鋁型材采用普通6063或6016，拉伸強度基本在220～240MPa之間。可以采用強度更高的擠出鋁型材，如Constellium 的HSA6、AA66**( 性能超過AA6611)等材料，拉伸強度可達到 400MPa 以上，較普通鋁型材下箱體能再減重20%～30%。

 

 

　　CHEN 等研究了通過對電池下箱體選材來進行輕量化開發，計算了鋁、鋼、鈦板材下箱體的材料指數，以及相同剛性、穩定性下不同材料厚度。并模擬計算得出采用鋁合金板材下箱體在不減小剛度的情況下，替代鋼材能減重40%。

 

　　電芯的能量密度目前存在技術瓶頸，提高電池 Pack 的能量密度只能繼續減小非電芯部件的質量，電池箱體減重當其沖。越來越多的機構正在研究塑料電池下箱體，汪佳龍等用碳纖維/環氧樹脂復合材料替代Q235下箱體，通過有限元模擬、分析、計算后，碳纖維/環氧樹脂復合材料在不減小強度的情況下，可以減重64%。

 

　　ZHAO 等采用碳纖維T300增強型樹脂5208 對金屬電池箱體進行材料替換并優化結構，模擬分析，它滿足電池箱體相關強度性能，鋁電池箱體質量的41.2kg 降至復合材料箱體的23.8 kg，減重達到42%。

 

　　BAUMEISTEＲ等采用新型創新材料———泡沫鋁復合三明治材料進行電池箱下箱體的開發，5mm 厚的三明治板滿足耐熱、靜態力學等試驗，采用該材料制作能轉載20k W·h 電量的電池下箱體，較當前水平能減重10%～15%。

 

　　現代汽車公司 C H CHOI 等為了進一步降低金屬電池Pack 下箱體的質量，聯合開發了增強塑料下箱體。它以 PA6為基材，受制于碳纖維高昂的成本，該研究同時混入碳纖維和玻璃纖維，并不斷變化 2 種纖維的含量，但總含量比例不低于40%，在滿足疲勞強度、沖擊、強度等性能下終得出優材料組分，質量由沖壓鋼材下箱體的35kg減少到24kg，降重達到 31%。

 

 

　　電池在充放電以及正常運行時均會放出熱量，同時鋰離子電池在低溫時使用會對其造成不可逆的損害?；谝陨蟽牲c，電池Pack需要配備熱管理系統對電池進行散熱和升溫。早期電動汽車采用空氣為熱傳遞介質，如 Nissan Leaf 采用自然冷卻方式，無電機、冷卻液等，大大降低了電池 Pack 質量。但目前電動汽車隨著電池能量密度、續航以及充放電速度的大幅提升，空冷已經完全不能滿足安全需求，基本均需要采用液冷熱管理系統。

 

　　液冷熱管理系統包含冷卻介質、壓縮機、冷凝器、水冷板等，其中水冷板面積大、質量大，需要輕量化開發。目前大部分為口琴管式水冷板，鋁擠出成型，壁厚約2mm 以上; 新型吹塑水冷板為鋁吹塑成型，壁厚可較擠出口琴板減小一半，可降重 50%。

 

　　水冷板與電池Pack殼體集成一體化也是較明顯的輕量化措施，取消了大面積的模組外水冷板，將其集成到電池Pack箱體下板中，如將冷卻通道集成到箱體下板鋁型材斷面結構中。箱體內模組的冷卻回路可以通過CFD流體模擬等措施進行優化設計，在能夠達到滿足要求的熱交換情況下，大幅度減小回路長度，也能降低回路內冷卻介質的質量，達到輕量化。

 

 

　　在傳統材料及結構下，各家車企對其電池Pack不斷地進行輕量化開發，部分主流車企的電池Pack質量及系統能量密度如圖 6 所示?？梢婋姵叵到y能量密度高的是特斯拉Model 3，其能量密度達到了168W·h/kg，但電池 Pack 系統成組率也為60%～ 65% 之間; Jaguar I-Pace 系統能量密度為147 W · h / kg，系統成組率也僅為56%。如此低的系統成組率讓再次降低非電芯部件質量、大幅提升電池Pack 輕量化水平有了理論的實現空間。

 

 

　　電池Pack采用鋁合金等輕質的材料后，要想進一步對電池Pack 進行輕量化開發，則必須配合優秀的輕量化設計方案。電池 Pack 的輕量化設計大體符合輕量化設計開發的原則，即薄壁化、中空化、尺寸優化、拓撲優化、集成模塊化設計等。

 

　　板材的薄壁化可以配合加強筋來滿足強度要求，型材的薄壁化可以配合特定優化的斷面來滿足強度要求; 集成化設計在擠出鋁型材電池包中可以將冷卻板集成在箱體下型材板中，電池Pack 吊耳也可以由側壁型材一次擠出成型。

 

　　TOＲNOW 等研究了電池Pack 如何以輕量化原則優先并綜合乘客空間及批量生產進行優化設計及排布設計方法。SHUI等采用 4 階段方法優化模擬電池 Pack側壁厚度 ( EW) 、底部厚度 ( EB) 以及模組側壁及底板厚度，在滿足變形測試的情況下，較標準設計減重了11.61%，從18kg降低至15.9kg。

 

 

　　當今的電池 Pack 只用于存貯、保護電芯及相關附件，為電動汽車提供電能。它不承受任何的車身載荷或吸收相應的碰撞能量，懸掛于汽車底盤下方。龐大的電池Pack與底盤形成了高度位置重合區域，也是電動車較傳統汽車重的主要原因。因此急需對電動汽車的底盤和電池 Pack 結構進行集成優化。底盤與電池Pack的同步設計對電動汽車的輕量化開發有重要作用。如賓夕法尼亞大學的 MA 等將Tesla Model S85 的電芯模組采用全新Power Panel 三明治蜂巢結構設計，并且將電池Pack的兩根底盤安裝縱梁以及電池下箱體的加 強 橫 梁 均 采 用Power Panel結構替換原有結構，在沒有降低彎曲剛性和扭轉剛性的情況下，Model S85 的底盤和電池 Pack實現了整車350kg的減重。

 

　　BMW非承載式車身結構的I3電動車，底盤承擔了車身結構強度及保護電池Pack的作用，這大幅降低了電池Pack箱體的載荷，使I3 電池Pack箱體的底板和側壁均采用鋁板替代鋁型材拼焊而成，大幅降低Pack殼體的質量。I3雖然并沒有取消電池Pack殼體，但是也引領了越來越多的機構對底盤電池Pack進行了研究。

 

　　Tesla Model3 電池Pack提供了一個新的輕量化設計思路，其電池Pack做到了極致減重，沒有采用鋁型材，直接采用3. 2mm 鋁板沖壓后成型為2150mm×1450mm×103mm 形狀的淺托盤，并且托盤四周沒有其他側壁模塊，采用0.8 mm 沖壓鋼板作為上蓋，直接與下托盤螺接、點焊為整個電池箱體。使裝有80.5 kW·h 的電池Pack僅重478kg，相較于85kW·h 的Model S 85D 的電池Pack減重了15%，另外相 較于80 kW · h奔馳 EQC電池Pack 的650 kg，以及95k W·h 的奧迪 e-tron 的715kg 都有大幅減重。Model 3之所以 能夠如此大膽地減重電池Pack，大幅縮減電池Pack的防撞擊邊框，是因為其優化了車身的防撞設計，使對電池Pack的碰撞沖擊傳導至車身高強度熱成型鋼結構件上，如圖 7 所示。

 

　　CATL ( 寧德時代) 在其新的公司技術路線規劃中指出，在電芯能量密度沒有突破性進展的情況下，電池Pack的能量密度在 2022—2023 年要達到230～265 W·h/kg，需要與整車廠配合開發底盤與電池Pack高度集成的新電池結構部件。

 

　　AＲPA ( 美國能源局) 聯合Stanford大學進行了電池底盤的研究項目，使該部件 ( 電池底盤) 能作為汽車的結構件，電池與底盤集成為一體。電池底盤新部件的研發成功將電動汽車整車質量降低 40%以上，取消了傳統的電池箱體，并優化了底盤及相關部件的結構。

 

　　WANG 等設計并模擬及試驗驗證了一種新型蝴蝶型結構多功能電池Module，具備相當高的強度，能替代車體底部部分結構件吸收汽車沖擊及碰撞能量。該結構使其取消了電池Pack殼體，大大降低了動力電池系統的質量。電池Pack 與底盤集成一體化并且可靈活延伸其結構用于更改攜帶電量的電池底盤也在研究中，STUＲIN 等提出都市模塊化車型 ( Urban Modular Vehicle，UMV) 概念，關注電動汽車創新車體結構設計的發展，將下車身結構分為可延伸的底板( 集成電池箱體) 和可替換的前后防碰撞模塊3 部分，如圖8所示。

 

 

　　在 UMV 結構車體中，可以任意延伸電池底盤的長度，以及替換前后防撞模塊，打造不同尺寸的微型車、A 級車，貨車等。該下車身模塊需要電池Pack與底盤的高度集成才能實現靈活改變車身尺寸及攜帶電量。該結構使電池Pack與底盤高度集成設計，輕量化效果顯著。

 

 

　　電池Pack輕量化對新能源汽車整車輕量化有著重要作用，可以通過不斷降低非儲能部件的質量來實現。對于殼體包裝部件而言，需要進一步減薄殼體厚度，以及加大研究高強塑料進行以塑代鋼、鋁的輕量化開發策略等; 對于電芯模組層級，不僅僅需要降低模組殼體質量，更需要對電芯模組進行設計優化排布，加大空間利用率。電池Pack箱體是除電芯之外重的部件，在普遍采用鋁合金下箱體和增強塑料上蓋的情況下，需要不斷對其結構進行優化設計，降低壁厚并輔助以加強筋結構，減小下箱體高度，以及減小電池Pack整包高度。加強對塑料下箱體的開發研究，能大幅降低箱體質量。

 

　　BMW I3 及 Tesla Model3 電池Pack結構的出現，讓人們對電池Pack與底盤進一步高度集成模塊化設計開發有了更多的研究。未來電池底盤一體化結構能使電池Pack不再是僅僅只有存儲和保護電芯模組的作用，而是作為整車的結構件，提高整車的彎曲強度和扭轉剛度。電池底盤能大幅減少電池Pack箱體的部件，后期將徹底取消電池Pack箱體，電芯模組直接存貯于電池底盤中，這將大大降低電動車動力電池系統的質量，對其輕量化有重要意義。