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电池包箱体优化三把斧——材料、工艺与仿真


电池包作为新能源汽车的核心动力部件,已然成为了影响新能源汽车整车性能和市场竞争力的关键要素。从过去到现在,汽车领域在产品设计中一直注重高刚度、轻质量的轻量化设计路线,从而带来制造成本降低、低油耗等显著的经济效益和竞争力。

两大优化方向:结构轻质量与高能量密度

与之类似,现如今的电池包箱体设计在面对国家的各项指导意见和补贴政策的刺激下,也急需在单体质量能量密度上狠下苦功,以不断的技术创新,保持自己的市场竞争力。即遵循轻质量、高能量密度的发展路线。要实现这一点,需要从如下两方面着力进行突破:

(1)最大化提升动力电池单体的能量密度。目前,应用范围较广的电池为磷酸铁锂电池,它的主要特点是热稳定性高,对电池包热场工作环境一致性的依赖性较低。但由于本身压实密度较低的固有特性,使得磷酸铁锂电池能量密度也相对较低。与之对应的三元材料的电池,其主要特点是具有超高的单体能量密度,但是金属元素活性较强,热稳定性不足,当电池包的热管理不当,存在较大的安全隐患。未来电池包模组大量采用三原材料的电池将会成为行业的趋势,在这个过程中,如和改进和完善三原材料电池的配方,提升电池工作的热稳定性和可靠性将成为行业亟待攻关的关键技术。

(2) 电池包结构的轻量化设计。从新材料、新结构、新工艺的角度全方位、多维度,逐步完善设计,减轻电池包重量。对于电池包的绝大多数生产企业,往往不具备从电芯、电池模组再到电池包箱体的全生产链的生产制造能力。对于这些企业而言,上述的第一条技术突破路线是不可控但是是可选的,强烈依赖于电芯生产企业的技术革新,然后对供应商进行选择,以满足不同客户的需求。所以,技术突破的重点就全部放在电池包结构的轻量化设计上。


新材料:碳纤维是新方向

在新材料方面部分结构件选用铝材或碳纤维重新进行结构设计,铝材和碳纤维在比强度上都较钣金材料具有明显优势,对部分受力工况较小的结构件采用铝合金材料,对部分受力较大的结构件合理使用碳纤维复合材料,通过合理布局和选用轻质材料,能够实现较好的轻量化效果。

图|丰田公司开发的碳纤维概念车身框架


目前在汽车行业,特种塑料、镁合金、铝合金、铝基复合材料、碳纤维复合材料等新材料和新工艺正越来越广泛的应用在汽车的各个零部件制造上。这几种材料的共同点就是密度比传统钣金材料低,具有较高的比强度,能显著带来车身的轻量化效果。

新工艺:最大程度减少焊接量

目前新能源汽车的电池包通常采用钣金材料焊接而成,存在制造工艺复杂、质量较重、防腐困难等缺点。因此,在电池包轻量化设计中,新工艺的应用是实现轻量化的主要途径之一。

在新工艺方面,采用碳纤维层合板的制造工艺或铝挤成型工艺制造下箱体等承重件,在实现量产的前提下,能大幅减少制造成本和工时,减少结构的焊接量,从而避免焊接变形和缺陷。

仿真分析:新结构设计精密支持

在新结构上可以考虑使用预埋式冷却水管和热管。预埋式冷却水管技术实现了下箱体和冷却管道的一体成型,而热管的使用加速了电芯间的散热速度。

图|电池包箱体有限元模型

除此之外,各大高校院所和企业研发部门从虚拟仿真的角度不断地在产品全生命周期的各个环节和阶段设计和优化电池包箱体,基于有限元方法,广泛使用 CAE 技术在初始设计阶段研发概念化模型,对标电池包国标的测试要求,展开仿真实验,在虚拟环境下验证静态、动态、振动、跌落、挤压、碰撞和疲劳方面的性能和指标,在降低研发成本,缩短开发周期方面,CAE技术都将带来显著的指导意义和经济效益。

尽管电池包箱体的轻量化工作势在必行,但是应该了解到,箱体的轻量化往往要牺牲掉箱体部分的刚度或者强度,轻量化与箱体结构的安全性和可靠性存在一定的矛盾。如何兼顾轻量化和结构安全是一项系统工程,具有一定的难度。因此,电池包箱体的设计优化工作必须在传统设计经验的基础上,引入新材料、新工艺和先进的 CAE 虚拟仿真技术,从这三个维度协同发挥效用,合理设计箱体结构,布局材料分配,共同推动电池包结构设计技术的升级,才能真正有效提高轻量化水平,提升动力电池包单体的能量密度,而不致影响结构安全性。


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