隨著世界能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重，汽車輕量化越來越受到人們的重視。輕量化對汽車節(jié)能減排的效果直接而顯著，試驗證明，對于傳統(tǒng)燃油汽車，汽車整備質(zhì)量每減輕10%，可降低油耗6%～8%，排放下降3%～4%；對于新能源純電動汽車，汽車整備質(zhì)量每減少10%，電耗下降5.5%，續(xù)航里程增加5.5%。同時汽車質(zhì)量的降低可減小汽車制動距離，提高安全性能。所以，無論是對傳統(tǒng)燃油汽車，還是對新能源汽車，汽車輕量化研究均具有重要意義。

輕量化并非簡單地將整備質(zhì)量減輕，而是在保證強度和安全性能的前提下盡可能地降低整備質(zhì)量并保證制造成本在合理范圍內(nèi)，以實現(xiàn)安全性和經(jīng)濟性的兼顧統(tǒng)一。電池包箱體作為動力電池的承載和防護機構(gòu)，在電池包系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，而且其整備質(zhì)量目前偏大，具有較大的輕量化空間，同時政策對于電池包能量密度的要求逐步提高，使得電池包箱體輕量化發(fā)展具有很強的緊迫性。

針對輕量化過程中引入的新材料和新結(jié)構(gòu)連接需求，本文對電池包箱體輕量化的發(fā)展及新型連接技術(shù)的應(yīng)用進行綜述，旨在對輕量化設(shè)計和制造提供有益借鑒。

電池包箱體的輕量化發(fā)展

傳統(tǒng)電池包箱體一般采用低碳鋼鈑金和焊接工藝加工而成，成本較低但箱體質(zhì)量較大，嚴重影響電池包系統(tǒng)能量密度的提高和新能源汽車的輕量化，不符合發(fā)展趨勢，需要進行輕量化改進。目前針對電池包箱體輕量化的主要手段為輕量化材料應(yīng)用和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

輕量化材料的應(yīng)用

電池箱輕量化材料應(yīng)用主要包括鋁合金材料、高強鋼材料和復(fù)合材料的應(yīng)用等，目前鋁合金替代傳統(tǒng)低碳鋼在電池箱上得到了大范圍的應(yīng)用，鋁合金箱體成為電池箱體發(fā)展的一個重要方向。

鋁是最常用的金屬材料之一，同時也是地殼中分布最廣、儲存量最多的元素之一，占地殼質(zhì)量的8.13%。鋁合金密度小，約為鋼密度的1/3，用鋁合金代替鋼鐵可顯著降低箱體質(zhì)量，且鋁合金表面形成的一層致密而穩(wěn)定的氧化膜，使得其具有良好的耐腐蝕性，故鋁合金材料是一種優(yōu)異的電池箱輕量化材料。目前鋁合金電池包箱體主要有鋁型材箱體和鑄鋁箱體兩種形式，其中鋁型材箱體由于尺寸設(shè)計范圍大、模具開發(fā)成本低、材料性能優(yōu)越等優(yōu)點獲得了大量的關(guān)注。

高強鋼強度大幅提高，可實現(xiàn)箱體的薄壁化設(shè)計，實現(xiàn)輕量化，且高強鋼相對于其他材料具有成本優(yōu)勢，通過高強鋼替代傳統(tǒng)低碳鋼用于箱體制造是電池包箱體輕量化發(fā)展的一個重要方向；復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強等優(yōu)良性能，在動力電池包輕量化方面發(fā)揮著越來越重要的作用。熱塑性復(fù)合材料具有可重復(fù)使用、成本低、成型快等特點，是電池包箱體制造的理想材料。熱塑性復(fù)合材料的成型，如注塑成型、LFT-D在線模壓成型、GMT模壓成型等，均可用于電池包的成型。電池箱上蓋采用熱固性復(fù)合材料成型，如SMC、BMC等，已廣泛應(yīng)用于電池包生產(chǎn)。碳纖維復(fù)合材料的高成本是限制其在汽車行業(yè)應(yīng)用的主要問題，研發(fā)汽車專用高模量低成本碳纖維是目前的研究重點。研發(fā)快速固化樹脂與預(yù)浸料，提高成型節(jié)拍是降低碳纖維復(fù)合材料成本的主要措施。隨著復(fù)合材料的成本逐步降低，未來復(fù)合材料有望實現(xiàn)在電池包箱體上的大規(guī)模應(yīng)用。

此外，多材料輕量化動力電池包設(shè)計開發(fā)是未來發(fā)展趨勢之一。在不同部位應(yīng)用不同特性的輕量化材料，以得到最優(yōu)性能的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計同時減小質(zhì)量和成本。針對混合材料電池箱體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和異種材料連接技術(shù)是關(guān)鍵。

輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

電池箱輕量化不僅涉及輕量化材料的應(yīng)用，而且與箱體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計密切相關(guān)，優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計也是實現(xiàn)汽車輕量化的一個重要途徑。通過CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)對電池箱總體結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化，實現(xiàn)箱體零部件的精簡、整體化和輕量化，已成為電池箱體開發(fā)中主要的設(shè)計方法。

利用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)準確實現(xiàn)電池箱體實體結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局設(shè)計，對各構(gòu)件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析，并可從數(shù)據(jù)庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關(guān)該箱體的相關(guān)數(shù)據(jù)進行工程分析和剛度、強度計算。對于采用輕質(zhì)材料的零部件，還可以進行布局進一步分析，使輕量化材料能夠滿足箱體設(shè)計的各項要求。

電池包箱體輕量化設(shè)計方法主要有拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等。在箱體前期設(shè)計過程中即概念設(shè)計階段一般采用拓撲、形貌和自由尺寸的優(yōu)化手段；在結(jié)構(gòu)設(shè)計后期，對具體的技術(shù)要求，需要詳細設(shè)計時更多的采用尺寸優(yōu)化、形狀和自由形狀優(yōu)化技術(shù)，以達到具體的設(shè)計要求。如某鑄鋁電池包箱體的拓撲分析，支架安裝位置全約束，模擬電池包實際安裝情況，同時以國標擠壓工況受力分析為邊界；設(shè)計響應(yīng)為電池包的應(yīng)變能和質(zhì)量；目標為質(zhì)量最小；約束為體積減少為初始的80%。經(jīng)過多次迭代獲得電池包相對密度云圖，如圖4所示，紅色區(qū)域為密度接近1的部分，對設(shè)計目標的貢獻較大，是必須要保留的或者是要加強的區(qū)域。藍色部分的相對密度較低，對設(shè)計目標的貢獻小，是我們做輕量化重要的減重途徑。當然拓撲優(yōu)化后的結(jié)果，還必須考慮工程工藝的可行性，綜合考慮箱體的減重方案設(shè)施。

電池包安全性需考慮熱管理，其不僅對電池的循環(huán)壽命、工作溫度起著重要影響，對于電池包整體輕量化能量密度的提高也非常重要。

在電池包現(xiàn)有的熱管理輕量化上，冷板結(jié)構(gòu)采用較多的是釬焊工藝和吹脹工藝，如口琴管、沖壓板、吹脹板等。針對此類冷板結(jié)構(gòu)，要單獨放在電池箱體上，利用CFD仿真技術(shù)和參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計，對冷板流道進行優(yōu)化設(shè)計，保證電池的散熱性。同時結(jié)合流固耦合仿真對冷板的結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，保證冷板結(jié)構(gòu)強度。此外，將熱管理系統(tǒng)集成于箱體結(jié)構(gòu)中是目前實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)輕量化研究和探討的方向，該方法在下箱體內(nèi)嵌入流道，或利用擠壓型材布置流道，利用CFD、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計以及流固耦合的方法，來對內(nèi)部流道以及結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。這種結(jié)構(gòu)不僅可以直接承受模組的重量，同時實現(xiàn)了電池包整體的輕量化，也避免了單獨冷板在惡劣工況下的泄露。