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典型电池包壳体材料分析与轻量化应用进展

   次浏览   纯电动汽车电池包壳体轻量化材料应用及研究进展   2021-01-09

前言


轻量化对汽车节能减排效果明显,对于传统燃油车,汽车质量每降低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少制动距离,提高安全性能。


较传统燃油车而言,电动汽车多了三电系统(电池、电机、电控)核心部件,一般会占到新能源汽车整车重量的30%~40%,电池包占整车重量的18%~30%,其中电池包壳体占电池包重量约为10%~20%。


电池包各主要部件中,质量最大的是电芯本体,其次是电池包壳体(箱体),目前电池包壳体开发应用的主要轻量化材料有高强钢、铝合金、SMC和碳纤维复合材料等。按照电池包壳体的2个组成部分,下壳体和上盖,对目前纯电动汽车电池包壳体轻量化材料应用进行综述并对其最新研究进展进行介绍。


2 电池包下壳体


电池包下壳体是电池包壳体最主要的组成部分,根据中国汽车工业协会统计数据表明,近6年来以纯电动汽车为主的新能源汽车的保有量迅速攀升,如图1所示。



电池包壳体供应商出货量也快速增长,早期下壳体制造主要以低碳钢或高强钢冲压成型后拼焊而成,如图2所示.



目前下壳体材料基本为铝合金,只是不同企业所用的工艺不尽相同,目前采用的工艺主要有挤出铝型材搅拌摩擦成型、冲压铝板焊接(铝弧焊或点焊)和整体铸造成型。同时也有部分企业和学者对泡沫铝三明治材料、碳纤维等复合材料制造电池包壳体开展了前瞻性的研究。


2.1 铝型材搅拌摩擦焊/弧焊电池包下壳体


由于铝型材具有挤出成型模具成本低、工艺简单、断面设计柔性好和强度高等特点,目前国内纯电动车企业基本采用铝型材搅拌焊接配合少量铝弧焊工艺制造电池包下壳体。


搅拌摩擦焊(FSW)是通过将高速旋转的搅拌头压入待焊母材,并借助其旋转接触摩擦热将工件加热至塑性软化区,并最终冷却形成有效连接的一种固相连接工艺。搅拌摩擦焊具有使用范围广、接头质量高、焊接成本低、便于自动化等优点,缺点是对装配精度要求较高。焊接部位主要集中在底层型材对拼焊接和边框与底层型材总成焊接工序。



目前国内车企普遍采用此种工艺制造电池包下壳体,例如蔚来ES8(图3a)和小鹏G3(图3b)纯电动汽车电池包下壳体采用搅拌摩擦焊配合少量弧焊制造,挤出型材一般选用6063-T6,6061-T6等6系铝合金,较钢制下壳体能实现减重30%以上。


另外由于铝型材模具成本低,也特别适用于新能源汽车产量并不高时的成本控制,同时由于底板为型材结构,强度刚度性能好,在大尺寸的电池包壳体制造中更有优势。中国忠旺等壳体制造商也采用铝合金型材全弧焊工艺制造电池包下壳体,全弧焊工艺的难点在于焊接变形及焊缝质量的控制。


相对于铝弧焊工艺,FSW(搅拌摩擦焊)具有焊接效率高,焊后变形小的优点,同时拉伸强度也略高,抗冲击性能及疲劳性能明显更优[10],同时FSW接头耐腐蚀性能也优于铝弧焊接头。目前在国内一些电池壳体制造商纷纷对搅拌摩擦焊接电池包壳体申请了专利保护,许多学者对搅拌摩擦焊接壳体的结构、工艺优化、接头质量评价都进行了广泛深入的研究


2.2 冲压铝板焊接电池包下壳体


冲压铝板焊接电池包下壳体具有非常好的轻量化效果,相对于钢材在不降低刚度的前提下,能减重40%。但由于其拉延深度,电池包振动、冲击强度不足等问题,需要车企有较强的车身、底盘集成设计能力,对电池包进行结构强化和碰撞保护。



目前采用冲压铝板焊接工艺的电池包壳体主要有宝马i3(图4)、特斯拉ModelS(图5)、特斯拉Model3(图6)等,相关参数见表1。宝马i3底板是有4mm的铝板冲压而成,长度方向布置有加强筋,在底板周边均匀布置有冲压凸台与车身下车体连接,底板周边一圈是挤出型材,通过CMT连续弧焊的方式与底板连接,型材上表面布置有与上盖连接的安装孔,上盖采用的是0.8mm的冲压成型的低碳钢板,此种形式结构简单轻量化效果好。该车于2014年上市,电池包能量密度达到142W·h/kg。此种结构和工艺的难点在于控制底板冲压回弹以及底板与周边型材满焊引起的翘曲变形,特别是长度方向两端的翘曲变形。


特斯拉的电池包能量密度从2012年上市的ModelS142W·h/kg到2017年上市的Model3168W·h/kg,除了电芯由18650转换到2170单体能量密度提升了20%,另外比较重要是电池包壳体的轻量化做得更好,ModelS的下壳体底板是6mm的铝板,四周和下车体连接安装点为铝型材,前端为铝铸件,中间为16个模组安装固定的型材,所有连接基本由铝弧焊实现。而Model3的下壳体底板仅是3.2mm铝合金冲压板,四周与下车体连接位置增加3mm加强铝板与底板点焊相连,中间有铝型材加强与底板点焊连接,由于电池包尺寸较大,中间型材有孔位与下车体相连,以提高电池包的强度和刚度,特斯拉在Model3的电池包下壳体中采用更优化的结构设计和工艺选择,相对于ModelS轻量化效果更好。


2.3 铸造铝合金电池包壳体


目前在汽车行业中,铝合金铸造常用的工艺有重力铸造、半固态铸造、低压铸造、差压铸造及高压铸造等,在电池包壳体铸造工艺中主要为高压铸造,同时也有部分学者对电池包壳体的低压铸造和熔模铸造进行了研究。


压铸电池包壳体可以一体成型,能灵活的进行结构和壁厚设计,能集成电池包壳体侧壁吊耳、冷却通道等,该方法具有工序简单、生产效率高、尺寸精度高和气密性良好等优点。目前常用的压铸材料一般为AlSi10MgMn、AlMg5Si2Mn、AlSi9Mn和AlSi7等,壁厚一般为2.5~4.5mm,为保证力学性能,一般采用真空压铸的方式,模腔真空度小于50mbar,如大众GolfGTE插电混合压铸电池包壳体(图7a)、BMWX5插电混动电池包壳体(图7b)。何健浩等提出了一种新能源汽车的电池包壳体压铸成型的方法及相应的电池包壳体(图7c);查建双等[20]公开一种新能源电池壳体,包括压铸部分和非压铸部分,减少压铸时的正投影面积,降低压铸机吨位,降低成本(图7d)。



徐文治等采用低压铸造工艺对新能源汽车电池包壳体的不同位置的组织和力学性能进行了研究,壳体材质为ZL102铝合金,重25.6kg,外形尺寸约为1540mm×1265mm×200mm,平均壁厚6mm,结果发现,壳体表面存在流痕、凹陷,内部存在疏松、夹杂等缺陷。不同位置的力学性能存在明显差异,提出了电池包壳体低压铸造工艺的改进方案,以提高低压铸造生产大型薄壁铝合金件的质量。


铝合金铸造电池包壳体目前并不是主流,一般用在比如通用、宝马PHEV车型这种尺寸偏小的电池包壳体上,在纯电动汽车这种需要较大尺寸电池包壳体上应用较少,如腾势500采用的是铝铸造电池包壳体,主要原因如下。


a.整体铸造成型需要一次投入模具费用很高,需要对应的压机吨位很大;

b.整体铸造成型表面和内部缺陷较多,不同位置力学性能差异大,影响壳体可靠性;

c.由于铸造壁厚的限制,整体铸造电池包壳体轻量化效果相对于铝板和型材工艺轻量化效果稍差。


2.4 泡沫铝“三明治材料”电池包下壳体


泡沫铝由于密度低,具有出色的力学、电学、热力学性能而被人们广泛关注和应用,单纯泡沫铝机械强度较低,近年来研究工作者通过尝试在泡沫铝中加入多种增强相以及通过金属薄壁腔体形成“三明治材料”复合结构来提高泡沫铝的综合性能。



Schmerler等在设计电池下壳体时,选用了一种三明治结构材料。这种三明治结构材料是利用高强铝合金作为外壳来提高其强度,利用相变材料渗透到铝合金中实现热传导,电池包上盖采用PA6复合材料以减轻整体质量,如图8所示。Baumeiste等制造了一个20kW·h的电池包壳体,壳体采用泡沫铝三明治材料制造,表层铝板采用0.5mm厚高强铝合金,中间填充泡沫铝,形成厚度为5mm的三明治结构,整体密度为940kg/m3,为铝合金的1/3,质量减轻了10%~15%,同时也显著提高了弯曲刚度。


2.5 碳纤维复合材料电池包下壳体


碳纤维环氧树脂复合材料密度为1400~1800kg/cm3,约为钢的1/4~1/5,另外具有非常高的比强度(材料拉伸强度与密度之比)和比模量(材料弹性模量与密度之比),比强度约为钢的5~7倍,比模量约为钢的4~6倍,同时具有优异的低热导率、抗腐蚀性能和阻燃性,是汽车轻量化的理想材料。但目前较为昂贵的价格(约为铝的5倍,钢的10倍)限制了碳纤维复合材料的应用普及,所以碳纤维复合材料电池包壳体目前国内市场上并无量产应用,部分企业进行了前瞻研究探索。天津中科先进技术研究院与力神合作开发碳纤维复合材料电池包壳体总质量约为24kg,较铝合金结构减重50%,能量密度高达210W·h/kg。蔚来与德国SGLCarbon联合开发了84kW·h碳纤维电池包(图9),该碳纤维壳体比铝结构轻40%,能量密度大于180W·h/kg。



段端详等对碳纤维复合材料电池包壳体进行了轻量化设计和铺层工艺优化,在满足相关工况条件下,得到的壳体重量较钢结构减轻了66%。


赵晓昱等采用碳纤维复合材料,利用刚度等效设计法对电池包壳体进行轻量化设计,相比于钢结构质量减小64%~67.6%。


3电池包壳体上盖


电池包壳体上盖主要材质有冲压钢板、冲压铝板、SMC、碳纤维等复合材料。日产LEAF、BMWi3、ModelS、Model3等电池包壳体上盖均采用0.8mm厚度的冲压钢板,钢板具有较好的冲压性能,能较好的实现上盖高度方向的特征成型,特斯拉的ModelS和Model3电池包壳体上盖是由2块冲压钢板激光焊拼接而成。


采用1.5~2mm的冲压铝板制造电池包壳体上盖可实现20%~30%的轻量化效果,如蔚来ES8,小鹏G3电池包壳体上盖,但铝板的冲压性能不如钢板,在一定程度上也限制了其应用。目前国内的电池包壳体主流是不饱和聚酯玻璃纤维增强模塑料(SheetMoldingCompound,SMC),如帝豪GSE、长安C206、广汽GE3、北汽C30/C33、前途K50等电池包壳体上盖均采用SMC材质,厚度一般为2.5mm左右,与传统金属材料相比,SMC材质具备密度较小(约为1800kg/m3)、可设计性强、整体成型、尺寸稳定、耐腐蚀、减震性好和阻燃性能可达V0级等优点。


4 结束语


目前国内主流的电池包壳体轻量化方案是铝合金型材搅拌摩擦焊接下壳体和SMC上盖,是目前电动汽车综合成本与轻量化综合考虑较好的解决方案。而特斯拉Model3等采用的冲压铝板和型材点焊连接电池包下壳体是在产量达到一定规模后更佳的下壳体轻量化解决方案。未来更优电池包壳体轻量化方案为碳纤维壳体,需要在碳纤维成本下降到一定程度后,该方案将会成为主流。


另外热成型等超高强钢和镁合金等轻量化材料也将会加入到电池包壳体轻量化材料应用研究中,铝合金、SMC、碳纤维复合材料、热成型等超高强钢和镁合金等材料拥有不同的机械和物理性能,在兼容轻量化的同时也可为电池包壳体材料选型增加更多的选择,从而在电池包结构设计、成本、性能间达到一个最优平衡。


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