动力电池箱体轻量化技术综述

侯迪

摘 要：动力电池箱体是除了电芯之外的第二大组成部分，在动力电池电芯能量密度没有技术性突破的情况下，研究动力电池箱体的轻量化对于电动汽车的续航里程至关重要。本文系统的从动力电池的结构优化、材料轻量化以及底盘电池箱体集成三个方面阐述，并对底盘—电池箱体系统集成化设计进行了展望，认为其是未来动力电池箱体轻量化的一重要趋势。

关键词：动力电池箱体 结构优化 轻量化材料 底盘—电池箱体集成

Overview of Lightweight Technology of Power Battery Box

Hou Di

Abstract：The power battery box is the second major component besides the battery cell. In the absence of technological breakthroughs in the energy density of the power battery cell， the research on the lightweight of the power battery box is very important for the range of electric vehicles. This paper systematically elaborates on the three aspects of power battery structure optimization， material lightweight and chassis battery box integration， and prospects for the integrated design of the chassis-battery box system， which is considered to be the future trend of the light weight of the power battery box.

Key words：power battery box， structural optimization， lightweight materials， chassis-battery box integration

《中国制造2025》中指出，节能与新能源汽车作为未来发展的十大领域之一，国家继续推进汽车轻量化、低碳化、信息化、智能化等核心技术的发展，推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨[1]。《节能与新能源汽车技术路线2.0》指出，汽车产业碳排放总量先于国家减排承诺，在2028年要达到峰值，到2035年，碳排放总量较峰值下降20%。到2060年，中国碳排放总量降低到碳中和。到2035年新能源汽车将成为主流，占比50%，其中纯电动汽车占比95%。而在轻量化方面，2.0指出到2035年纯电动汽车轻量化系数降至35%[2]。纯电动汽车的轻量化研究已成为汽车行业的一项关键性研究课题。

1 动力电池箱体

新能源汽车由于其技术的要求，造成了相对于传统燃油车增重的问题，相对于国外来说，我国电动商用车增重15%-30%，电动乘用车增重10%-15%，属于一般较低水平，因此更需要对其进行轻量化。

轻量化是在保证刚强度、模态和安全性能的前提下，通过现代优化设计方法尽可能降低重量已达到轻量化的目的，在性能、减重和成本之间寻求平衡。

在电动汽车各总成当中，动力电池系统的重量占据了整车重量的额30%，过重的动力电池包极大的影响了电动车的续航能力。《节能与新能源汽车技术路线图》指出，2035年纯电动乘用汽车轻量化系数降低35%，同时将车辆轻量化系数、载质量利用系数、挂牵比等作用衡量整车轻量化的依据。

动力电池系统各主要部件中，质量最大的是电芯本体，其次为电池箱体。在纯电动汽车中，电池箱体的轻量化也成为近年来研发的热点。

对特斯拉Model 3动力电池系统解体后各质量部件进行质量统计，电池箱体质量占比9.5%，如图1所示。

电池箱体是除了电芯之外的动力电池的最重的部件，是电动汽车高定制化的零部件。由于目前的纯电动汽车大多沿用传统汽车平台，动力电池箱体作为一个整体，直接安装汽车底盘下方的安装支架上在有土字形、T字形、方形等。一般安装在电池箱体分为上箱体盖和下箱体，两部分通过螺栓或者其他方式连接，中间结合面运用IP67级别的密封胶垫密封。

2 动力电池箱体的轻量化途径

目前轻量化设计主要通过结构优化、轻量化材料与先进工艺等途径来实现，如图2所示。

2.1 结构优化

在现代汽车产业中，运用CAD/CAE/CAM一体化技术，设计纯电动汽车动力电池箱体的整体布局和外形结构，利用轻量化数据库，对动力电池箱体进行工程分析和刚强度计算，实现动力电池箱体的精简化、整体化和轻质化。通过多目标全局优化、拓扑优化、逆向工程结构优化设计等现代设计方法，实现动力电池箱体结构优化分块以及多种轻量化材料的匹配等[3]。

由于目前国内没有统一制定新能源汽车的安全碰撞标准及其他安全指标，汽车生产企业在运用软件ANSYS、CATIA等，對电池箱体的结构刚度、材料疲劳强度进行仿真轻量化设计，需要对于优化后的动力电池箱体进行安全碰撞分析，进而提高汽车的可靠性和安全性。

例如奥地利的Matthias Hartman[4] 等人，通过OptiStruct 对电动车电池外壳进行优化设计，有效地提高了自身刚度以及固有频率，并通过减少壁厚，使电池外壳重量减轻了20%。北京理工大学王露，对动力电池箱体进行稳健性优化设计，综合考虑形貌优化技术以及加工工艺要求，提出了两种电池箱体加强筋的布置方案，动力电池箱体新结构与原始结构的静、动态性能比较分析，表明两种新结构减重达7～10%，均实现了轻量化[5]。