動力電池包輕量化設計技術研究

宋孝炳 林志宏

摘 要在整車電量一定的情況下，電動汽車的續航里程一直是用戶重點關注的參數之一，而電動汽車用電池包作為三電系統中的核心部件，其輕量化的設計直接影響整車的續航里程。實現動力電池包輕量化設計主要有兩種途徑：提高單體電芯的能量密度，優化電池包結構設計，本文主要是針對第二種方式進行闡述輕量化設計的相關技術研究。

關鍵詞電池包;輕量化;續航里程

節能減排是汽車行業的熱門話題，汽車輕量化設計為實現這一目標提供了可能。與傳統汽車相比，電動汽車用的電池質量能量密度遠小于傳統汽車用的石化燃料[1]，電池包作為電動汽車中最重要的三電部件之一，其質量在整車中也占有很大的比重，而在不改變電池系統電量的前提下，電池系統質量降低可以有效的提高續航里程。有數據表明，電動汽車質量減10%能提高續航里程5.5%[2]。因此，新能源汽車對輕量化設計更加敏感，直接影響到終端用戶的體驗度和滿意度。電動汽車電池包的輕量化研究是新能源汽車輕量化的主要研究內容之一，實現動力電池包的輕量化主要有兩種途徑：一是提高單體電芯質量能量密度，二是優化電池包結構設計和新材料的選型。

1 動力電池包輕量化設計思路

動力電池包的主要組成部分就是電池及相關結構輔件，目前單體電芯大多數為鋰離子電池，其主要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜、銅箔等組成，動力電池包對電芯進行相關的串并聯組合方式實現不同的電壓和能量，過重的電池包對整車續航能力影響極大。因此，對電池包高比能量的研究是新能源汽車目前的主要研究方向之一，也是實現電動汽車輕量化的主要途徑，實現動力電池包輕量化可從兩個方向開展：提高單體電芯的能量密度，對電池包相關輔件進行優化設計。

1.1 提高單體電芯的能量密度

目前應用在新能源車上的動力電池主要以磷酸鉄鋰和三元材料為正極材料為主，已經大規模產業化應用，磷酸鐵鋰電池由于其物理特性導致安全性能和循環壽命較三元電池好，國內很多電池廠商都選擇此種類型電池，以電池廠商合肥國軒為代表，主要在客車和專用車上為主，其單體比能量一般在120Wh/kg-170Wh/kg之間，但合肥國軒已經做到190Wh/kg以上的質量能量密度，對電池包的輕量化作用明顯。三元材料由于其單體能量密度較高，一般可達到180Wh/kg-210Wh/kg之間，很適合乘用車的應用場合，更能滿足用戶對續航里程的要求，故三元鋰電池的應用量也逐漸提升，以電池廠商寧德時代、力神為主。為滿足電池包輕量化設計的要求，在選擇合適的化學體系材料種類以后，優先采用高容量的正極材料、高容量的負極材料、提高極片中活性物質占比、減輕電芯輔材質量，盡最大可能在滿足整車能量的前提下，在保證整車安全性的前提下，選擇較大比能量的電芯材質。

1.2 電池包相關輔件的輕量化設計

減輕電池包相關輔件質量是在電芯規格參數確定的情況下，提升系統能量密度的最有效措施，也是考量電池包輕量化設計是否合理的重要指標之一。電池包是電池系統的重要部件，是電池的載體，對保護電池安全和人員安全起到關鍵的作用，電池包設計需要滿足密封性能、防腐性能、防老化性能、抗振性能、耐沖擊和碰撞等相關性能[4-5]。電池包中的結構輔件主要有電池箱體、箱蓋、塑料件、串聯排等相關部件，只有對這些零部件進行優化設計和材質選型、制造工藝優化才能在降低質量的同時，提高整車的續航里程要求。其實現途徑為：

1.2.1 電池箱體的材料選型和優化設計

新能源行業在2016年之前，國家標準要求較低，為了降低成本，電池包電池箱大多采用普通碳鋼作為電芯載體，在輕量化要求逐漸提高的情況下，現在逐步采用高強度鋼、鋁合金、復合材料等材質。高強度鋼是指屈服強度在210-550MPa之間的鋼材，在相同強度要求的前提下，使用高強度鋼可以有效降低電池箱的重量，實現電池包的輕量化，如目前客車標準箱，大多采用高強度鋼沖壓的形式來實現箱體的設計，滿足系統強度要求，保護電池組的同時，電池包重量較輕，能夠達到輕量化的目的。鋁合金密度低，強度較高，沖擊性好，塑性好，耐腐蝕性較好，可加工成各種形狀的型材，在滿足結構強度的同時，相比鋼材，鋁合金的重量較低，目前的乘用車箱體大多采購此種材質，如蔚來ES6電池箱體;但是鋁合金的焊接工藝性較差，材料價格較高，因此，在鋁合金批量應用之前，改善鋁合金的成型工藝和降低材料成本是輕量化設計急需解決的問題。復合材料是指兩種或兩種以上的材料組合所組成的新材料，具有質量輕、強度高和耐腐蝕、耐磨等優點，在汽車行業和航空領域某些零部件將取代金屬合金，復合材料按結構特點可分為夾層復合材料、纖維復合材料，其中使用最大的是纖維復合材料，對電池箱質量的減輕較為明顯，針對奇瑞微面的電池箱體使用有限元軟件分析對鋁合金和環氧樹脂復合材料兩種材料的電池箱體結構強度進行分析，結果表明，電池箱體承載能力沒有降低的情況下，質量減少30%左右，且復合材料由于是模具件，產品的一致性較高，品質管控較好。

1.2.2 塑料件的材料選型和優化設計

對于模組的設計，盡量摒棄現存較多的ABS+PC材料的模組框結構，材質可以選擇較好的PP或者PE，同樣形狀的前提下，重量減少10%以上，可滿足輕量化設計要求。模組框存在重量較重且不容易散熱等缺陷，容易導致高溫報警，并且在當前行業快速發展的情形下，生產效率低下，也是其將被淘汰的重要原因。

現所研究的模組，也是將推廣的標準模組都是在自動化生產線上操作，生產效率較高，采用打包帶預緊，鋁合金端板、上蓋板壓緊后，螺栓固定，整體結構緊湊，能量密度較高。

1.2.3 串聯排的材料選型和優化設計

串連排作為電池包高壓串并聯的重要部件，對其進行材料優選和優化設計可以達到輕量化設計。高壓連接使用較多的銅連接片，高壓連接性能較好，但是目前將逐漸被鋁連接片所代替，在滿足過流能力的前提下，質量更輕，成本更低。并且盡量優化設計，考慮整車電池最大電流，不要冗余設計，造成不必要的浪費。

一般銅的安全載流量為5-8A/mm2，鋁的安全載流量為3-5A/mm2，鋁的密度為銅的1/3左右，同樣過流要求的前提下，質量可減少30%以上，價格也相對較低。

1.2.4 輕量化制造工藝的優化設計

制造工藝與材料、結構是息息相關的，需要找到相適應的先進工藝來共同實現輕量化[3]。從成形技術、連接技術和表面處理技術這個方面進行分析，也能夠在一定程度上減輕電池系統的自重。如成形技術方面，復合材料采用注射、擠壓新型工藝代替傳統的沖壓工藝;連接技術方面：某些受力不大場合的螺栓連接、焊接可以被粘接或者鉚接來代替;表面處理方面：利用某些復合材料本身的特性，不需要傳統工藝的復雜表面處理，不處理或者簡單的表面噴涂來達到表面質量要求。

2 總結

電動電池包的輕量化設計是直接提高整車續航里程的重要措施，而電池輕量化途徑主要依靠提高單體電芯質量能量密度和減少電池包輔件質量來實現，在電池包能量已經確認的情況下，對電池包優化設計和材料優選，是輕量化必須要考慮的問題。但是，面對新材料成本高、工藝不成熟等問題，需要提高制造工藝水平來降低材料成本，提高材料利用率，從而實現動力電池包的輕量化設計。

參考文獻

[1]史踐.電動汽車與輕量化技術[J].汽車工藝與材料，2011.1：24-29.

[2]周路菡.汽車輕量化：助新能源汽車極致表現[J].新經濟導刊，2016，4：55-59.

[3]范軍峰，馮奇，凌天均，等.汽車輕量化與制造工藝[J].機械設計與制造，2009，7：141-143.

[4]GB/T 31467.3-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包河系統第3部分安全性要求與測試方法.

[5]GB/T 4208-2017外殼防護等級（IP代碼）.