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新能源汽车电池包箱体的轻量化发展

   次浏览   汽车工艺师   2019-10-13

随着世界能源危机和环境污染问题日益严重,汽车轻量化越来越受到人们的重视。轻量化对汽车节能减排的效果直接而显著,试验证明,对于传统燃油汽车,汽车整备质量每减轻10%,可降低油耗6%~8%,排放下降3%~4%;对于新能源纯电动汽车,汽车整备质量每减少10%,电耗下降5.5%,续航里程增加5.5%。同时汽车质量的降低可减小汽车制动距离,提高安全性能。所以,无论是对传统燃油汽车,还是对新能源汽车,汽车轻量化研究均具有重要意义。


轻量化并非简单地将整备质量减轻,而是在保证强度和安全性能的前提下尽可能地降低整备质量并保证制造成本在合理范围内,以实现安全性和经济性的兼顾统一。电池包箱体作为动力电池的承载和防护机构,在电池包系统中占据重要位置,而且其整备质量目前偏大,具有较大的轻量化空间,同时政策对于电池包能量密度的要求逐步提高,使得电池包箱体轻量化发展具有很强的紧迫性。


针对轻量化过程中引入的新材料和新结构连接需求,本文对电池包箱体轻量化的发展及新型连接技术的应用进行综述,旨在对轻量化设计和制造提供有益借鉴。


电池包箱体的轻量化发展


传统电池包箱体一般采用低碳钢钣金和焊接工艺加工而成,成本较低但箱体质量较大,严重影响电池包系统能量密度的提高和新能源汽车的轻量化,不符合发展趋势,需要进行轻量化改进。目前针对电池包箱体轻量化的主要手段为轻量化材料应用和轻量化结构设计。




轻量化材料的应用

电池箱轻量化材料应用主要包括铝合金材料、高强钢材料和复合材料的应用等,目前铝合金替代传统低碳钢在电池箱上得到了大范围的应用,铝合金箱体成为电池箱体发展的一个重要方向。

铝是最常用的金属材料之一,同时也是地壳中分布最广、储存量最多的元素之一,占地壳质量的8.13%。铝合金密度小,约为钢密度的1/3,用铝合金代替钢铁可显著降低箱体质量,且铝合金表面形成的一层致密而稳定的氧化膜,使得其具有良好的耐腐蚀性,故铝合金材料是一种优异的电池箱轻量化材料。目前铝合金电池包箱体主要有铝型材箱体和铸铝箱体两种形式,其中铝型材箱体由于尺寸设计范围大、模具开发成本低、材料性能优越等优点获得了大量的关注。


高强钢强度大幅提高,可实现箱体的薄壁化设计,实现轻量化,且高强钢相对于其他材料具有成本优势,通过高强钢替代传统低碳钢用于箱体制造是电池包箱体轻量化发展的一个重要方向;复合材料具有轻质高强等优良性能,在动力电池包轻量化方面发挥着越来越重要的作用。热塑性复合材料具有可重复使用、成本低、成型快等特点,是电池包箱体制造的理想材料。热塑性复合材料的成型,如注塑成型、LFT-D在线模压成型、GMT模压成型等,均可用于电池包的成型。电池箱上盖采用热固性复合材料成型,如SMC、BMC等,已广泛应用于电池包生产。碳纤维复合材料的高成本是限制其在汽车行业应用的主要问题,研发汽车专用高模量低成本碳纤维是目前的研究重点。研发快速固化树脂与预浸料,提高成型节拍是降低碳纤维复合材料成本的主要措施。随着复合材料的成本逐步降低,未来复合材料有望实现在电池包箱体上的大规模应用。


此外,多材料轻量化动力电池包设计开发是未来发展趋势之一。在不同部位应用不同特性的轻量化材料,以得到最优性能的箱体结构设计同时减小质量和成本。针对混合材料电池箱体结构,结构创新设计和异种材料连接技术是关键。



轻量化结构设计

电池箱轻量化不仅涉及轻量化材料的应用,而且与箱体结构的合理设计密切相关,优化箱体结构设计也是实现汽车轻量化的一个重要途径。通过CAD/CAE/CAM一体化技术对电池箱总体结构进行分析和优化,实现箱体零部件的精简、整体化和轻量化,已成为电池箱体开发中主要的设计方法。


利用CAD/CAE/CAM一体化技术准确实现电池箱体实体结构设计和布局设计, 对各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析, 并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该箱体的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。对于采用轻质材料的零部件, 还可以进行布局进一步分析, 使轻量化材料能够满足箱体设计的各项要求。


电池包箱体轻量化设计方法主要有拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化等。在箱体前期设计过程中即概念设计阶段一般采用拓扑、形貌和自由尺寸的优化手段;在结构设计后期,对具体的技术要求,需要详细设计时更多的采用尺寸优化、形状和自由形状优化技术,以达到具体的设计要求。如某铸铝电池包箱体的拓扑分析,支架安装位置全约束,模拟电池包实际安装情况,同时以国标挤压工况受力分析为边界;设计响应为电池包的应变能和质量;目标为质量最小;约束为体积减少为初始的80%。经过多次迭代获得电池包相对密度云图,如图4所示,红色区域为密度接近1的部分,对设计目标的贡献较大,是必须要保留的或者是要加强的区域。蓝色部分的相对密度较低,对设计目标的贡献小,是我们做轻量化重要的减重途径。当然拓扑优化后的结果,还必须考虑工程工艺的可行性,综合考虑箱体的减重方案设施。


电池包安全性需考虑热管理,其不仅对电池的循环寿命、工作温度起着重要影响,对于电池包整体轻量化能量密度的提高也非常重要。


在电池包现有的热管理轻量化上,冷板结构采用较多的是钎焊工艺和吹胀工艺,如口琴管、冲压板、吹胀板等。针对此类冷板结构,要单独放在电池箱体上,利用CFD仿真技术和参数化优化设计,对冷板流道进行优化设计,保证电池的散热性。同时结合流固耦合仿真对冷板的结构进行轻量化设计,保证冷板结构强度。此外,将热管理系统集成于箱体结构中是目前实现整体结构轻量化研究和探讨的方向,该方法在下箱体内嵌入流道,或利用挤压型材布置流道,利用CFD、参数优化设计以及流固耦合的方法,来对内部流道以及结构进行优化。这种结构不仅可以直接承受模组的重量,同时实现了电池包整体的轻量化,也避免了单独冷板在恶劣工况下的泄露。

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