纯电动汽车动力电池包轻量化技术

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来源：浙江吉智新能源汽车科技有限公司

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较传统燃油汽车而言，电动汽车多出了核心的三电系统(电池、电机、电控)，其中电池Pack整包占整车整备质量的18%～30%，电动汽车的续航里程越大，其电池Pack质量占整车质量比重越大。

图1部分主流车型整车质量、Pack质量及其占比

从图中可以看出，续航里程较大的雪佛兰Bolt、奔驰EQC、捷豹Ipace以及Model3等，其电池Pack质量占比都超过了26%，因此，各厂家不得不对电池Pack系统进行轻量化优化开发。

如NissanLeaf第一代、第二代、第三代电池Pack含电24、30及40kW·h，其Pack整包质量分别为272、293及303kg，在同等电量下每代Leaf的电池Pack均实现了不断减重。大众e-Golf第二代含电35.8kW·h，质量314kg，与第一代含电24.2kW·h电池Pack质量几乎相同。

电动汽车中轻量化开发较优秀的如特斯拉Model3，电池Pack整包含80.5kW·h的电量，质量仅478kg，整车整备质量已经和同级别轿车无异。对特斯拉Model3电池Pack拆解后称量，电芯占据整个电池Pack质量的62.8%，其余部件为37.2%。

本文将从电池Pack的电芯、模组、电池箱上盖、电池箱下箱体、热管理等部件的材料、结构研究轻量化方案。

1. 电芯

整车轻量化可以通过轻量化系数来评价，它为包中整备质量、投影面积、扭矩、油耗等系数的复杂函数值，电芯的轻量化系数在业界内暂无权威的计算方法。

目前可以用电芯能量密度来简单评价电芯的轻量化水平，电芯能量密度(质量能量密度)越高，其轻量化水平越高。

电芯的轻量化系数(能量密度)更多地依托于新的高能量密度材料体系，含新的正负极材料、隔膜、电解质等。电芯其他部件中，如降低电芯壳体质量，也是降低电芯质量的措施。

方形及圆柱电芯外壳由于需要一定的强度，多采用铝合金或不锈钢，未来可考虑强度更高的7系铝合金并通过降低厚度来达到减重的效果。

软包电芯的铝塑膜较圆柱和方形电芯外壳具有天然的轻量化优势，故同体系、同电量电芯中，软包电芯质量会最小。仅从电芯方面来看，软包结构是电芯轻量化的未来方向。

2. 电芯模组

电芯模组是包含若干电芯的一个电池模块，其作用是吸收电芯内部产生的应力及冲击，一是由于温度变化导致电芯产生的热胀冷缩，二是充放电导致的电芯体积变化。模组形状主要为方形，它主要由上盖、侧板、绝缘板、下塑料支架、上塑料支架、铝片等部件构成。

电芯模组的轻量化开发可以从模组壳体材料轻量化和模组结构轻量化设计及电芯优化排布入手。壳体材料可以采用全铝合金或者采用7系高强度铝合金并降低材料厚度来进行轻量化。

模组的结构轻量化设计及电芯优化排布，可以通过改进模组和热管理系统的设计来缩小电芯间距，以及错位排布来提升空间利用率，最大限度地利用空间。

模组内电芯的安装使用全塑料外框架，能最大限度减轻质量;在考虑安全的前提下，使用密度很低的灌封胶，解决模组层级的传热问题。

模组其他部件中，如汇流排由铜替换为铝进行降重，并且可以进行挖孔设计，既减轻了质量，也起到了保险作用。

电芯模组的尺寸可以由车企高度定制化，减少模组的数量可以大幅降低模组壳体及其他附件质量，如Model3的电池Pack仅采用4个模组。目前越来越多的车企采用VDA标准模组，可以降低成本、提高电池匹配的灵活性。

3. 电池箱体

电池箱体是电动汽车高度定制化的零部件，也是电池Pack中除电芯外质量最重的组件，有T字形、土字形、方形等。不同形状、尺寸的箱体一般均放置在汽车地板下方的安装支架上。电池箱体分为上盖和下箱体两部分，两部分用螺栓或者其他连接方式连接，中间被密封胶垫隔开达到IP67防水。

（1）电池箱上盖

电池箱上盖位于电池Pack上方，不承受侧面及底面的冲击，也不支撑整个电池组的质量，仅仅起密封作用。将电池模组密封于整个Pack箱体中，达到IP67或其他标准的密封效果。

电池箱上盖前期采用冲压钢板，如NissanLeaf、BMWI3、TeslaModel3均采用0.8mm厚度冲压钢板。也可采用深冲铝合金板进行轻量化开发，较钢板有明显减重，使用厚度1.5～2.0mm铝合金上盖替代冲压钢板可以降重20%～30%，但上盖铝合金在冲压性能上受到极大限制。 

若下箱体有足够的强度和刚性，上盖可以采用轻质增强塑料替代金属的方法进行轻量化，可采用PP和PA为基材增强塑料。电池箱体上盖使用塑料制品的缺点是其电磁适用性以及低熔点会造成较大的安全隐患。

PA比PP的吸湿性更强，其成本也高于PP，故选择厚度3mm的PP玻纤增强复合材料来代替1mm厚的冲压钢板，降重可以达到50%。全铝车身的奇瑞小蚂蚁eq1电池箱上盖也采用了PP+LGF材料来进行进一步的减重。

电池箱上盖虽然为非主要承力部件，但箱体上盖也可以发挥辅助提升箱体强度的作用。基于此，上盖可采用碳纤维加强箱体强度以及进一步减重。通过研究，选定0.5mm厚碳纤维+3mm厚铝蜂板+0.5mm厚碳纤维这种结构方案，它较铝合金可以减重31%。

由于碳纤维成本较高，以及PP、PA基材复合材料的强度也偏低，目前绝大部分塑料上盖采用SMC复合材料模压而成。SMC密度1.75～1.95g/cm3，厚度一般为2.5mm。

它较冲压钢板可以减重20%～30%，较铝合金上盖而言，虽并没有明显的减重效果，但是SMC模压工艺可以制造深度非常大的上盖，可大大减小下箱体的高度，降低下箱体的质量，间接降低了整个箱体的质量。

因此单双层模组排布的箱体以及单层模组排布的箱体越来越多地采用模压SMC制造箱体上盖，上盖高度可以与下箱体高度达到较大的比例。

下图为吉利某车型电池箱体上盖的初步拟定同一结构的不同材料进行成型后质量的计算及对比。

铝板上盖较钢板减重23%，SMC上盖较铝板减重5%，PP+GF上盖较铝板减重32%，下图为长安C206模压SMC上盖，10kg。

（2）电池箱下箱体

电池箱下箱体承担着整个电池组的质量以及自身的质量，并且抵挡外部的冲击，保护电池模组及电芯，是电动汽车重要的安全结构件。电池下箱体材料一般为钢、铝、增强塑料。

①刚

采用冲压、焊接工艺成型的钢制电池下箱体，能够提供非常好的强度及刚性，成本也较低，但是质量较大，早期电动汽车如NissanLeaf、Volt采用钢制电池箱体。但低成本、质量大的钢制电池箱体大大制约了电池Pack的能量密度，影响电动汽车的续航，故传统钢制电池下箱体技术路线已经基本被抛弃。

②铝

冲压铝板下箱体较钢板下箱体能明显降重，但是由于其拉延深度以及震动、冲击强度不足等问题，需要能力较强的车企结合车身、底盘进行集成设计来达到轻量化的目的，如TeslaModel3。

铝压铸电池下箱体相较于钢制电池下箱体有较多的优势，能够灵活地设计其形状和壁厚，能集成电池箱体侧壁吊耳、冷却通道以及其他部件整体压铸成型。但是压铸电池箱体尺寸偏小，从而限制了其在大型电动车上的使用。

它更多地用于PHEV车型，如大众GolfGTE插电混动压铸电池箱、Audie-tron和BMWX5插电混动电池箱。

随着消费者对续航的要求越来越高，电池电量需求也越来越大，电池箱体的尺寸也相应地变得更大。目前车企普遍使用铝挤出型材、采用搅拌摩擦焊工艺成型下箱体底板，并与4块侧板焊接成型为下箱体总成，如图5所示。

图5 某车型铝型材电池下箱体

优点是较钢制电池箱体能减重30%以上，相较铝压铸电池箱体而言能成型尺寸更大的电池箱体，适应较大的车型。铝型材成本较低，能提供较大的强度及刚性，制约铝型材电池箱体最大技术难点是连接技术以及尺寸控制问题。

③增强塑料

越来越多的机构正在研究塑料电池下箱体，现代汽车公司CHCHOI等为了进一步降低金属电池Pack下箱体的质量，联合开发了增强塑料下箱体。

它以PA6为基材，受制于碳纤维高昂的成本，该研究同时混入碳纤维和玻璃纤维，并不断变化2种纤维的含量，但总含量比例不低于40%，在满足疲劳强度、冲击、强度等性能下最终得出最优材料组分，质量由冲压钢材下箱体的35kg减少到24kg，降重达到31%。

4. 电池Pack热管理系统

电池Pack需要配备热管理系统对电池进行散热和升温，早期电动汽车采用空气为热传递介质，如NissanLeaf采用自然冷却方式，无电机、冷却液等，大大降低了电池Pack质量。

但目前电动汽车随着电池能量密度、续航以及充放电速度的大幅提升，空冷已经完全不能满足安全需求，基本均需要采用液冷热管理系统。

液冷热管理系统包含冷却介质、压缩机、冷凝器、水冷板等，其中水冷板面积大、质量大，需要轻量化开发。目前大部分为口琴管式水冷板，铝挤出成型，壁厚约2mm以上。新型吹塑水冷板为铝吹塑成型，壁厚可较挤出口琴板减小一半，可降重50%。 

水冷板与电池Pack壳体集成一体化也是较明显的轻量化措施，取消了大面积的模组外水冷板，将其集成到电池Pack箱体下板中，如将冷却通道集成到箱体下板铝型材断面结构中。

箱体内模组的冷却回路可以通过CFD流体模拟等措施进行优化设计，在能够达到满足要求的热交换情况下，大幅度减小回路长度，也能降低回路内冷却介质的质量，达到轻量化。

（本文完）  

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