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電動車電池pack殼體的輕量化技術

電動車電池pack殼體的輕量化技術

Dec 29, 2020

動力電池系統是電動車的核心驅動力。它由電池模塊,電氣系統,熱管理系統,電池管理系統,殼體等零件組成。殼體的主要作用是承載和保護電池模塊,需要滿足強度,剛度,碰撞安全等機械要求。

一般認為純電動汽車重量降低10%,續航里程便可增加約6%。電池包系統重量占整車20%以上,成本占整車高達30%-60%,新能源汽車較傳統汽車更需要輕量化。在動力電池系統中,電池殼占系統總重量約 20-30%,是主要結構件,因此在保證電池系統功能安全和車輛整體安 全的前提下,電池殼的輕量化已經成為電池系統主要改進目標之一。電池殼輕量化技術包括新材料,新工藝和新設計(殼體和熱管理系統集成,車身集成設計)。

下面簡單介紹一些知名主機廠和電池供應商的電池系統輕量化進展。

新材料

鋼板,鋁板,擠壓鋁,壓鑄鋁,玻纖復材,SMC復材,碳纖復材都有應用。

1.1 鋼制殼體

Nissan Leaf采用鋼制殼體,主要工藝是鋼板沖壓和點焊連接。鋼制殼體能夠提供高強度和剛度,工藝簡單,是車身制造領域最傳統最成熟的工藝。

1.2 鋁制殼體

1.2.1鋁板+壓鑄鋁

鑄鋁的電池托盤箱體一體性較好,避免了鋼制或擠出型材的焊接、密封、漏水、腐蝕等問題?;靹影?Cadillac CT6 和 Audi Q7 e-tron均采用了鋁合金殼體。兩個車型的電池下殼體采用壓鑄鋁合金,上殼體(蓋 板)采用鋁板沖壓件。

鋁合金壓鑄下殼體采用一次成型工藝,工藝簡單,能夠提供較好的強度、剛度和密封性能。鋁合金上殼體主要起密封作用,采用鋁板沖壓件降低重量。受壓鑄機設備噸位限制,鋁壓鑄殼體尺寸較小,一般常用于混動車型動力電池系統。

1.2.2 鋁板+擠壓鋁

鋁合金框架和鋁板結構電池殼結構設計靈活,減重明顯且工藝較成熟,擠壓鋁的框架能夠提供高剛度和高強度,鋁板沖壓件密封。特斯拉Model S,蔚來 ES8、大眾 MEB等項目電池殼均采用了鋁合金框架和鋁板結構。

寧德時代CATL首次將航空級別的“7系鋁”運用至電池包下箱體?!?系鋁”常被用于制造飛機起落架,具備輕盈、堅固、安全等特性。7系鋁應用也具有很多風險,特別是應力腐蝕現象。為此,他們通過上百項的實驗及相關工藝改善。

配備“7系鋁”下箱體的動力電池擁有以下優勢:車載動力電池系統能量提高50%;整車重量可在現有基礎上減重250公斤,使該車型標準工況續駛里程提高到600公里以上。下圖是寧德時代產品路線圖。

1.3 混材

1.3.1 鋼鋁混合

特斯拉Model3電池上蓋是0.8毫米的鋼板,地板是3.2毫米的鋁板。

1.3.2 塑料+鋁板

世界最大電動車廠商比亞迪使用了上板塑和下板鋁作為電池殼體,以提升電池包的能量密度,增加了續航能力。以其秦Pro EV500為例,相比上一代秦EV車型,電池包減重157kg,系統能量密度提升至160.9Wh/kg。據比亞迪官方數據,秦Pro EV500的工況續航里程420公里,最大續航里程達500公里。

吉利帝豪EV450和廣汽傳祺GE3 530等車型,采用的就是上殼體SMC輕量化材料,以及下殼體高強度鋁來進行封裝。后者電池系統能量密度為160Wh/kg,已經處在主流水平。

1.4 碳纖維復材

蔚來ES6的碳纖維增強型復材(CFRP)電池外殼比傳統的鋁或鋼制電池外殼輕40%,具有高剛性,而且比鋁的熱導率低200倍。

1.3 其他材料

電池殼可以考慮用熱成形鋼做電池殼體,在碰撞中需避免電池包的侵入及避免著火爆炸等風險.但目前還未見有在汽車上大批量應用。

電池殼還可以采用泡沫鋁等材質來制造,但目前還未見有在汽車上大批量應用。

2.新工藝

電池系統的制造工藝,包括電池單體的封裝、電池模組的排布、熱管理電器系統的設計等裝配工藝;還包括電池單體、電池包箱體的連接工藝等方方面面。

斯拉Model 3將原來的18650改成了21700,電池的能量密度約提升20%(250→300Wh/kg),增大了單體的尺寸,進而使整包輕量化。

3. 新設計

通過CAD/CAE/CAM一體化技術對電池殼進行分析和優化,實現零部件的精簡、整體化和輕量化,已成為電池殼開發中主要的設計方法。電池包箱體輕量化設計方法主要有拓撲優化、形貌優化、形狀優化和尺寸優化等。

在箱體前期設計過程中即概念設計階段一般采用拓撲、形貌和自由尺寸的優化手段;在結構設計后期,對具體的技術要求,需要詳細設計時更多的采用尺寸優化、形狀和自由形狀優化技術,以達到具體的設計要求。

特斯拉將所有的電控單元整合到pack中,交流電充電器和DC-DC轉換器被集成為一個更小和更輕的單元模組,高度整合導致Model 3的總布線長度大幅減少。

結論

1、鋁制電池殼是目前電動車主流;

2、混材電池殼是趨勢。不同部位用不同材料,以達到性能和成本的最優解;

3、集成化設計是趨勢。

來源:網絡

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