电动车电池pack壳体的轻量化技术

电动车电池pack壳体的轻量化技术

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电动车电池pack壳体的轻量化技术

2020-12-29

动力电池系统是电动车的核心驱动力。它由电池模块,电气系统,热管理系统,电池管理系统,壳体等零件组成。壳体的主要作用是承载和保护电池模块,需要满足强度,刚度,碰撞安全等机械要求。

一般认为纯电动汽车重量降低10%,续航里程便可增加约6%。电池包系统重量占整车20%以上,成本占整车高达30%-60%,新能源汽车较传统汽车更需要轻量化。在动力电池系统中,电池壳占系统总重量约 20-30%,是主要结构件,因此在保证电池系统功能安全和车辆整体安 全的前提下,电池壳的轻量化已经成为电池系统主要改进目标之一。电池壳轻量化技术包括新材料,新工艺和新设计(壳体和热管理系统集成,车身集成设计)。

下面简单介绍一些知名主机厂和电池供应商的电池系统轻量化进展。

新材料

钢板,铝板,挤压铝,压铸铝,玻纤复材,SMC复材,碳纤复材都有应用。

1.1 钢制壳体

Nissan Leaf采用钢制壳体,主要工艺是钢板冲压和点焊连接。钢制壳体能够提供高强度和刚度,工艺简单,是车身制造领域最传统最成熟的工艺。

1.2 铝制壳体

1.2.1铝板+压铸铝

铸铝的电池托盘箱体一体性较好,避免了钢制或挤出型材的焊接、密封、漏水、腐蚀等问题。混动版 Cadillac CT6 和 Audi Q7 e-tron均采用了铝合金壳体。两个车型的电池下壳体采用压铸铝合金,上壳体(盖 板)采用铝板冲压件。

铝合金压铸下壳体采用一次成型工艺,工艺简单,能够提供较好的强度、刚度和密封性能。铝合金上壳体主要起密封作用,采用铝板冲压件降低重量。受压铸机设备吨位限制,铝压铸壳体尺寸较小,一般常用于混动车型动力电池系统。

1.2.2 铝板+挤压铝

铝合金框架和铝板结构电池壳结构设计灵活,减重明显且工艺较成熟,挤压铝的框架能够提供高刚度和高强度,铝板冲压件密封。特斯拉Model S,蔚来 ES8、大众 MEB等项目电池壳均采用了铝合金框架和铝板结构。

宁德时代CATL首次将航空级别的“7系铝”运用至电池包下箱体。“7系铝”常被用于制造飞机起落架,具备轻盈、坚固、安全等特性。7系铝应用也具有很多风险,特别是应力腐蚀现象。为此,他们通过上百项的实验及相关工艺改善。

配备“7系铝”下箱体的动力电池拥有以下优势:车载动力电池系统能量提高50%;整车重量可在现有基础上减重250公斤,使该车型标准工况续驶里程提高到600公里以上。下图是宁德时代产品路线图。

1.3 混材

1.3.1 钢铝混合

特斯拉Model3电池上盖是0.8毫米的钢板,地板是3.2毫米的铝板。

1.3.2 塑料+铝板

世界最大电动车厂商比亚迪使用了上板塑和下板铝作为电池壳体,以提升电池包的能量密度,增加了续航能力。以其秦Pro EV500为例,相比上一代秦EV车型,电池包减重157kg,系统能量密度提升至160.9Wh/kg。据比亚迪官方数据,秦Pro EV500的工况续航里程420公里,最大续航里程达500公里。

吉利帝豪EV450和广汽传祺GE3 530等车型,采用的就是上壳体SMC轻量化材料,以及下壳体高强度铝来进行封装。后者电池系统能量密度为160Wh/kg,已经处在主流水平。

1.4 碳纤维复材

蔚来ES6的碳纤维增强型复材(CFRP)电池外壳比传统的铝或钢制电池外壳轻40%,具有高刚性,而且比铝的热导率低200倍。

1.3 其他材料

电池壳可以考虑用热成形钢做电池壳体,在碰撞中需避免电池包的侵入及避免着火爆炸等风险.但目前还未见有在汽车上大批量应用。

电池壳还可以采用泡沫铝等材质来制造,但目前还未见有在汽车上大批量应用。

2.新工艺

电池系统的制造工艺,包括电池单体的封装、电池模组的排布、热管理电器系统的设计等装配工艺;还包括电池单体、电池包箱体的连接工艺等方方面面。

斯拉Model 3将原来的18650改成了21700,电池的能量密度约提升20%(250→300Wh/kg),增大了单体的尺寸,进而使整包轻量化。

3. 新设计

通过CAD/CAE/CAM一体化技术对电池壳进行分析和优化,实现零部件的精简、整体化和轻量化,已成为电池壳开发中主要的设计方法。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。

特斯拉将所有的电控单元整合到pack中,交流电充电器和DC-DC转换器被集成为一个更小和更轻的单元模组,高度整合导致Model 3的总布线长度大幅减少。

结论

1、铝制电池壳是目前电动车主流;

2、混材电池壳是趋势。不同部位用不同材料,以达到性能和成本的最优解;

3、集成化设计是趋势。

来源:网络

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