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隨著汽車行業的發展，節能與新能源將會成為汽車行業的主流。而國家對智能化技術的發展給予強有力的支持[1]。目前，很多國家與地區都出臺了不少促進新能源汽車發展的政策。2018年，在中國工信部印發的關于新能源汽車政策中，與以往相比，新的補貼方案比之前減少了大約20%，但新推出的補貼方案對電池能量密度較高、續航性能更佳、耗能更低的車型給予更多鼓勵，激勵整車廠在續航更強、能量密度更高的電池系統方面加大投入，降低能耗，減少汽車碳排放，提高電動汽車的續航里程，在給予人們更好體驗的同時，也能降低電池的使用成本。由此可見，對純電動汽車輕量化研究有著十分重要的意義，這是目前汽車領域的關鍵性研究課題。

1 動力電池箱體概述

通過對新能源汽車與傳統燃油汽車進行對比，發現新能源汽車在技術方面的要求較高[2]。通過與國外新能源汽車進行對比，發現中國電動商用車總體上增重15%～30%。根據電動乘用車的增重來看，增重為10%～15%，總體水平較低。所以，有必要對其進行輕量化研究。所謂的輕量化是指在確保剛強度、模態、安全性能的前提下，用現代化設計方法在降低汽車重量（即達到輕量化目標）的同時，盡可能保持汽車性能、減重和降低成本的相對平衡[3]。

在電動汽車構成中，動力電池系統的重量在整車中占比不低于30%。動力電池過重的話，會影響電動車的續航能力。在節能和新能源汽車技術路線圖中提出，截至2035年，純電動乘用車輕量化系數總體上將會下降到35%。通過車輛輕量化系數等指標對整車輕量化進行詳細的評判。對動力電池系統的各個部件進行分析后發現，質量最大的是電芯本體，其次是電池箱體[4]。因此，電池箱體輕量化也成為純電動汽車近年來的研究熱點。

在對特斯拉Modal 3動力電池系統進行解體，并對各質量部件質量進行統計發現：在總箱體中，電池箱體的質量占總體比重的9.5%（見圖1）。

在動力電池中，電池箱體是除電芯以外的核心部件[5]，同時也是電動汽車高定制化必不可少的零部件之一。從當前純電動汽車來看，基本上是將傳統汽車平臺作為基礎，把動力電池箱當作一個相對獨立的個體，將其裝到汽車底盤上，再通過IP67級別的密封膠墊對中間結合面進行密封。

2 動力電池系統輕量化現狀

通過對傳統燃油汽車與電動汽車進行對比，發現電動汽車具備電池、電機、電控三大核心電系統[6]。從總體上來看，動力電池箱體在整車整備質量中占比為18%～30%，且動力電池箱體的質量與電動汽車續航里程之間成正比關系（見圖2）。由圖2可知，雪佛蘭Bolt、特斯拉Modal 3等的續航里程都比較大，其動力電池箱體的質量占比在26%以上。由此可見，做好對電動汽車動力電池輕量化研究的意義重大。

從目前來看，動力箱體輕量化研究被各大車企所重視，在高強鋼、鋁合金等輕量化材料和技術工藝方面有著較為深入的研究、發展和應用。由于動力電池箱體的質量占比相對較高，各車企更加重視對新能源汽車動力電池箱體的輕量化研究。例如，Nissan Leaf系列的動力電池箱體，第一代動力電池箱體含電為24 kW·h，整包質量為272 kg；第二代動力電池箱體含電為30 kW·h，整包質量為293 kg；第三代動力電池箱體含電為40 kW·h，整包質量為303 kg。即在同等電量的前提下，每一代Leaf系列的電池都實現了明顯減重。本研究主要對動力電池箱體輕量化研究和發展進行分析。

3 電池箱體輕量化研究及發展

3.1電池箱上蓋輕量化

電池箱的上蓋位于動力電池箱體的上方，不受動力電池箱體側面的影響，也不會影響整個電池組的質量，只具備密封作用。電池箱上蓋能將電池模組密封到動力電池箱體內部，具有良好的密封效果[7]。

在前期，電池箱上蓋一般為沖壓鋼板，如特斯拉Modal 3采用的是0.8 mm厚的沖壓鋼板，也有采用深沖鋁合金的電池上蓋。與鋼板相比，鋁合金上蓋的減重效果較為明顯，如采用厚度為1.5～2.0 mm的鋁合金上蓋可減重20%～30%，但與鋼板相比，其沖壓性能明顯下降。

如果下箱體擁有一定強度，上蓋就能采用輕質增強塑料來完全替代金屬。如以PP和PA為基材的增強塑料，但存在明顯的缺點，如熔點較低、電磁適用性不強，很容易造成較大的安全隱患，且PA具有極強的吸濕性，從而導致生產成本較高。一般情況下，使用3 mm厚的PP玻纖增強復合材料就能完全替代1 mm厚的沖壓鋼板，能減輕一半的重量。通常情況下，電池上蓋以非主要承重部件為核心，其還能在一定程度提升箱體強度。因此，還可采用碳纖維來增強箱體強度，從而起到減重的作用，但碳纖維的成本高。目前，很多塑料上蓋使用的是SMC復合材料，SMC的密度為1.75～1.95 g/cm3、厚度為2.5 mm，與沖壓鋼板相比，可減重20%～30%。與鋁合金上蓋相比，SMC復合材料的減重效果并不明顯，但能制造較大深度的上蓋，在降低箱體高度及質量的同時，使整箱質量下降。部分車型電池箱上蓋材料和質量詳見表1。

對吉利某車型的電池箱體上蓋同一結構的不同材料進行成型后質量計算，并進行對比，具體如表2所示。

3.2電池箱下箱輕量化

動力電池箱的下箱體是電池箱的主要部分。一般情況下，其可抵御外部的沖擊，保護電池模組與電芯[8]。在電動汽車內部，電池下箱體的安全系數比較高。一般情況下，電池下箱使用鋼、鋁或增強塑料。一是以鋼材料為主的電池下箱體，采用沖壓、焊接工藝成型，強度和剛度相對較高，成本相對更低，但質量更大，如Nissan Leaf早期的電動車就采用鋼制的電池箱體。但其對電動汽車的續航會造成一定影響。目前，傳統鋼制電池下箱體已停止投入使用。二是以鋁材料為主的電池下箱體與鋼板下箱體進行對比，發現沖壓鋁板下箱體的重量低，但其沖擊強度有待提升。即將車身與底盤等充分且有效地結合，進而實現動力電池箱體輕量化的目標，如特斯拉Model 3。

與鋼制電池箱下箱體相比，鋁壓鑄電池下箱體的優勢較為明顯，能對其形狀與壁厚展開科學合理的設計，但鋁壓鑄電池箱體的尺寸較小，一般用于PHEV車型上。

目前，消費者對續航的要求越來越高，對電池電量的需求也非常大。因此，電池箱體的尺寸也明顯變大。目前，很多車企都采用鋁擠出型材、攪拌摩擦焊工藝成型的下箱體底板，與4塊側板焊接，從而組成一個整體（見圖3）。

與鋼制電池相比，鋁型材電池下箱體能減重超30%，較為容易成型，且電池箱體的尺寸較大，對較大車型較為適用，但鋁型材的成本高。因此，可選擇一些強度更高的鋁型材，如Constellium的HSA6，其性能比較高，拉伸強度也超過400 MPa，與普通鋁型材下箱體相比，還能再減重20%～30%。

電芯能量密度有著很大的技術瓶頸，要在增加電池箱體能量密度的同時，降低電芯以外部件的質量，電池箱體減重是關鍵[9]。目前，在不降低強度的前提下，能減少40%的重量。因此，本研究將碳纖維、玻璃纖維同時混入其中，并根據實際情況對兩種纖維含量不斷進行調整，但其總含量要高于40%。在滿足沖擊強度等基本性能的前提下，得出最佳的材料比例。最終，動力電池箱體減重約31%。

4 動力電池箱體的輕量化途徑

在動力電池輕量化過程中，基本上是從結構、材料與工藝等方面出發進行設計的（見圖4）。

4.1結構優化

一般情況下，采取CAD、CAE、CAM一體化技術對純電動汽車動力電池箱整體結構進行設計，通過輕量化數據庫系統剖析動力電池箱體，計算其強度，從而保證動力電池箱體的質量。通過多種方法實現對結構拓撲和厚板減厚優化。

截至目前，國內在新能源汽車安全碰撞方面沒有統一的標準。因此，各大車企要使用ANSYS等軟件對其進行仿真輕量化設計，細致分析電池箱體的剛度結構、材料強度、材料疲勞度等，并對輕量化后的動力電池箱體進行必要的安全碰撞分析，全面提升汽車的安全性。表3為我國汽車輕量化階段目標。

4.2材料輕量化

輕量化材料是指密度較低、強度較高，且具備一定承重性的材料，鎂合金、鋁合金、高強度鋼、碳纖維等是目前常用的輕量化材料。根據電池箱體的結構，電池箱體上蓋不會承受側面與底面帶來的壓力，對整個電池組的質量不會發揮任何作用，其只具有一定的密封性。如果下箱體擁有一定的強度，那么上蓋就能夠采用PP基材增強塑料，可減重約50%。如奇瑞EQ1就使用全鋁車身，電池箱體的上蓋采用PP+LGF材料，從而實現減重的目的。

很多學者對碳纖維材料動力電池箱體的設計進行分析，發現碳纖維電池箱體對減重具有顯著的成效，根據其占據的具體比重來看，可達52.17%，動態性能與靜態性能都滿足相關要求。另一方面，碳纖維的成本高，而PP、PA基材料的強度總體上比較低。目前，上蓋使用SMC復合材料模壓而成，能減重25%左右，而鋁合金箱體的高度會在一定程度上降低，進而使箱體的質量減少。如現代汽車公司就以PA6為基材，加入碳纖維和玻璃纖維，來減少動力電池箱體的重量（可減重31%），剛度與強度也能達到相關要求。

4.3底盤和電池包箱體的集成化

動力電池箱體與其底盤的安裝位置能夠重合，這是動力電池增重的核心因素，底盤與動力電池包箱體的協同優化設計對電動汽車輕量化研究具有重要意義。

寧德時代在公司技術規劃中提出，在2022—2023年，電池包的能量密度要達到230～260 W·h/Kg，這要與整車廠建立友好的合作關系，對新型電池箱體構件進行開發。

美國能源局與Stanford大學對純電動汽車底盤-動力電池項目進行系統分析，可把電池箱體和底盤結合在一起，整車質量至少降低40%，并對底盤以及相關部件結構加以優化。

特斯拉Model 3電池包具有極強的創新性（見圖5），采用3.2 mm鋁板沖壓后成型為2 150 mm×1450 mm×103 mm的下托盤，使用0.8 mm沖壓鋼板做上蓋，通過螺紋連接與點焊法，把動力電池的上蓋和下托盤整合到一起，從而形成一個完整的整體。電池包重量下降到478 kg，與80.5 kW·h的Model S相比，減重約15%。

5結論

根據現有新能源汽車輕量化研究來看，對電池箱體輕量化展開系統分析尤為重要?？赏ㄟ^優化箱體結構、使用高強度復合材料等方式，實現電池箱體的輕量化。隨著時代的進步，電池箱體和底盤集成朝著一體化方向發展，把電芯安裝在底盤中，這樣使整車的彎曲強度與扭曲剛度能得到充分的滿足，從而對整車的質量展開系統控制。

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