【汽車】5大關鍵方法 帶你看電池包結構輕量化
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%，也是整車生產中成本占比高的部件之一。
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航里程上的表現。
想要提升性能，車身整體的重量也至關重要。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鍵。
電池包為什么要輕量化？
研究數據表明，傳統燃油汽車減重10%，經濟性可提升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%左右的續駛里程。
那么如何提升續航里程呢？
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構上下手，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——系統設計層面和詳細設計層面。具體細分層級可見下圖：
輕量化之余，電池包的結構還依然需要滿足機械安全、密封絕緣和防火等安全需求。箱體結構的強度、剛度、耐撞性、穩定性都會對電池包性能產生影響。
輕量化之路中，較為有效的方式有以下5大方法：
01 優化電池包布置方式
在電池包箱體有限空間內，一定數量電池單體通過特定機械連接和電連接組成電池模組。
根據車用電池包的空間形狀與承載特點，電池模組串并聯排布組成動力電池系統，電池包中模組布置和結構形式差異較大。
電池單體常用類型有圓柱形、方形鋁殼和軟包鋁塑膜等，此外電池包內部還布置有BMS控制器、高壓線束等輔助功能部件。
動力電池包的布置形式通常由整車空間特征決定，需考慮車輛驅動方式、整車重心位置與離地間隙等因素。
動力電池包生產企業根據整車企業需求，開發出模組排布不同、電池包箱體形狀和安裝吊耳位置各異的車用動力電池包。
經過不斷研究與發展，電池包常用結構布置形式有車身底部懸置式、車身結構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Leaf“凹”形電池包。
日產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，具有設計高效靈活、生產制造獨立性好等優點，是乘用車廣泛采用的動力電池包結構形式，如日產Leaf、吉利帝豪EV等車型。
箱體分布式
標準箱體分布式是通過幾個相同或者結構近似的標準箱體電池包串并聯形成電池系統，具有布置靈活，安裝位置多樣等特點。
空間較大且規整的客車或專用汽車多采用該種結構形式，如宇通E10 純電動客車等。
車身結構一體式
隨著電動汽車續航里程的需求不斷提高，空間受限的傳統汽車結構無法滿足優設計要求，車身結構一體式電池包結構布置形式逐漸受到重視。
電動汽車正向設計技術的成熟使得電動汽車專用設計平臺出現，如圖所示的廣汽GEB電動汽車專用設計平臺，就將電池包融合至車身結構中。
廣汽GEB平臺
電動汽車續駛里程需求增加，外加汽車正向設計技術的發展，促使車身設計與電池包結構協同開發，力求車身結構緊湊同時電池包性能較優。
當下，平臺化、模塊化的車身結構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平臺設計的Model S和Model X等車型。
02 優化電池模組
系統設計層面下，電池包輕量化設計先從電芯參數和單體尺寸選擇開始。
不同化學體系與尺寸參數下鋰離子動力電芯與動力電池系統存在匹配設計問題，通常需在電池系統概念設計階段計算確定。
后則是通過優化電池包箱體內部布置、減少設計層級，實現箱體空間大利用率。
例如寧德時代提出的無模組設計技術（Cell To Pack，CTP），圖為寧德時代某CTP系統結構設計。
寧德時代CTP設計應用實例
該CTP設計中，采用了單體和電池管理系統直接固定在電池包殼體中，電芯內置在上下殼體中，殼體內部填充導熱膠。
此外，電芯側壁和電芯殼體間內置壓力或者溫度傳感器，兩種傳感器協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生熱失控等安全事故。
該設計形式由于不采用模組結構，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，提高生產效率約50%；
更為重要的是，可實現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
大模塊設計
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構件質量減少。例如寧德時代的大模組設計結構：
CATL大模組設計實例
通過大模組設計取消了現有技術中的電池箱體，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。
一體化設計
減少電池包模組等中間層級，將單體電芯尺寸做到佳，提高箱體空間利用率。
例如比亞迪的“刀片電池”電池包設計方案，如圖所示，通過設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。
比亞迪刀片電池結構
據悉，該設計能使電池包比能量提升50%左右，生產成本降低約30%。
04 輕質材料應用
來到今天的重頭戲——材料輕量化。
為什么說是“重”頭戲呢？因為箱體減重設計中，運用輕質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。
考慮到結構強度，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、加工成型簡便的優勢在電池包乃至整車上都發揚光大。
目前諸如發動機罩、油底殼、電池包上箱蓋等領域中，各種復合材料制成的零部件正在大規模替代傳統金屬零部件。
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。
數據顯示，SMC制成的電池包上箱蓋比傳統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構來提升結構的抗彎特性。
同時會在電池包下箱體設計成夾層結構，并在中間層增加金屬或者蜂窩鋁結構，將金屬與非金屬結合，具有輕質高強、耐撞性好等諸多優點。
下表例舉了各種輕質材料的性能參數及特點：
鎂鋁合金、復合材料等輕質材料在電池包結構輕量化設計中減重效果顯著，但目前輕質材料應用在電池包結構設計中存在以下2點不足：
結合電池包關鍵性能開發出性能和輕量化效果均優的電池包結構欠缺，可借鑒的研究成果、設計方法不多；
合適的材料用在合適的位置在電池包結構設計中已有初步應用，但對電池包多材料選型方法，結合性能約束的多材料設計方法研究不足。
05 極限設計
極限設計是指在產品詳細設計階段進行性能優化或后期對產品進行設計改良。
極限設計需清楚設計的臨界值，不僅要滿足各項性能要求，還需滿足零部件加工、產品裝配工藝要求。
極限設計通常借助CAE對產品各項性能臨界值和生產工藝參數探索，通過CAE仿真分析技術精準定位。
例如將電池包箱體承載部位加強設計，而非承重部位使用薄壁材料，箱體不同位置變厚度實現結構性能滿足設計要求又盡可能減重。
除了這些輕量化的需求以外，當下汽車工業的發展對塑料提出了更多 的需求和挑戰。
