新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 解析纯电动汽车的动力电池包轻量化

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发表于 2020-3-19 14:48:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】解析纯电动汽车的动力电池包轻量化
谢世滨
(上海吉茨宁机电设备有限公司,上海 201702)
摘要:锂离子动力电池包系统在纯电动汽车中的应用最为广泛,动力电池包是利用1个封闭盒形结构将BMS、热管理系统、模组架以及动力电芯等组件组合在一起。纯电动汽车的重量很大程度上取决于动力电池包的重量。因此,电池包的轻量化对于纯电动汽车的轻量化有着十分重要的作用。因此,文章对纯电动汽车的动力电池包轻量化的实现方法进行了详细的介绍。
关键词:电池包;轻量化;纯电动汽车
前言

纯电动汽车与传统汽车相比,在车载电器、内饰、底盘车身等方面无太大区别,其主要的技术突破点在于智能化电子技术的应用、动力系统和动力电池的布置以及底盘与车身的轻量化设计等方面。而无论对于传统汽车还是纯动力汽车来说,减轻车体重量一直都是科研单位十分重要的研究课题。

1 纯电动汽车的基本结构

纯电动汽车通常以驱动电机为动力源。在电机控制器的作用下,驱动电机能够精确地输出电流,并且电机的扭矩范围也相对较扭矩范围也相对较宽。当前我国纯电动汽车普遍采用差速器加单级减速器即可达到输出动力要求。对于纯电动汽车来说,车载动力电池包是最主要的能量来源。

2 车载动力电池包轻里化技术

纯电动汽车车载动力电池通常包括燃料电池、锂离子电池、镍氢电池与铅酸电池等。在我国终端市场需求、动力电池领域发展水平以及新能源汽车法规等多种因素的共同影响下,锂离子动力电池成为了我国纯电动汽车的主要能源。商用大客车多一般采用磷酸铁锂动力电池,高速小型乘用车一般采用三元锰锂电池。本文针对三元锰锂电池,对轻量化设计的主要思路进行了详细的讨论。

2.1 模组架轻量化

动力电池模组架指本质上是一种支架系统,负责安装单体动力电池。当前我国市场上所流通的锂电池系统普遍以模组架结构为主,即在1个模组架内安装12只或6只电芯,每6只电芯配1个采样板,并配以保险原件、接插件和BMS。模组架以往所使用的结构主要为钣金冲压结构和钣金焊接结构,现阶段普遍采用注塑框架结构,大幅减轻了模组架的重量,同时也提高了安装的标准化水平。

2.2 热管理系统轻量化

热管理系统通常包括冷却系统和加热系统两大类。其中冷却系统通常包括直接传导系统、空气冷却系统以及液体冷却系统三大类。由于锂离子电池在车辆慢行或低速充电的状态下,升温幅度普遍不超过10℃,出于空间布局和制造成本等方面的考虑,通常不设置降温系统。在汽车快速充电或高速运行的状态下,动力电池可能达到20℃左右,通过导体散热就能够有效控制住温度。因此,小型乘用车很少设置冷却系统。

在纯电动汽车冷启动或环境气温较低的状态下,需要通过加热系统为电池保温。锂电池并不具备良好的低温充放电性能,若环境温度低于-5℃,将会大幅缩减锂电池的有效容量。另外,锂电池的放电性能也一定程度上会受到低温环境的影响,大幅缩减车辆的运行里程。在气温较低的北方地区,通常需要为动力电池包配备保温系统或预加热系统。

基本的预加热形式一般包括自身电源预先加热、外来电源预先加热、整车存放于温暖房间充电以及动力电池组电热膜包覆四种。可供选择的保温系统形式有电池包外包覆保温层和电池模组保温层两种。由于保温系统和加热系统会占据电池包空间,一定程度上降低了电池包能量密度;整车温暖环境和外来加热一定程度上影响了整车使用的便利性;自身电源加热会缩短续航里程,大量耗费电能。这也是当前我国北方地区大力推广纯电动车的主要障碍之一。

热管理系统的轻量化,要求设计者在成本允许的情况下降低系统质量。根据汽车使用区域的环境温度确定是否设置加热系统,通过金属导体热船的方式达到冷却降温的效果。铝合金钢板材料均具有良好的导热性,而铝材质价格较低并且质量更轻,可用来制作电池包的下盒体,比如型材铝焊接结构和铸铝结构,冷却效果均十分理想。

2.3 电池包壳体轻量化

2.3.1 电池包壳体一般要求

纯电动汽车所使用的电池包上壳体应当满足以下几方面的要求:在动力电池自燃或车辆发生碰撞的情况下,需防止气体、火、烟、液体进入驾驶舱内;为插接器、传感器、线束和熔丝预留足够的空间;人员触电防护应达到相关标准要求;防护等级应在IP67以上。

2.3.2 动力电池包壳体选材

传统纯电动车通常采用由钣金冲压或钢板焊接而成的电池包壳体,并进行涂装处理,再喷涂防石击胶。钢板材质的电池包壳体具有生产工艺简单、结构强度高以及防护性能好等方面的优点,缺点是重量较大。

相比于钢板材料来说,铝合金材料具有耐腐蚀性能好、散热性强、质量轻等方面的优点。电池包下壳体结构常见有型材焊接结构和铸铝结构2种。其中,型材焊接结构具有强度高、型材适应性好、质量轻等方面的优点,缺点是焊接变形大、焊接强度有减弱趋势、型材焊接性差;铸铝结构的应用优势并不突出,并且存在质量减轻不明显、机加工量大、壁厚大等方面的劣势。但随着焊接技术的不断进步,超声波焊接、摩擦焊接技术的不断成熟,铝型材焊接问题已经得到了有效的解决,并且正在逐步应用于电池包的制造领域。

近年来,碳纤维增强复合材料、SMC模压、塑料注塑以及玻璃纤维增强材料开始应用于动力电池包制造领域。其中最被看好的是碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强材料,这两种材料具有耐腐蚀性好、机械强度高以及质量轻等方面的优点。非金属复合材料相比于铝合金材料来说,在强度和体积相同的情况下,能够减轻重量达30%~50%。然而,这种两材料也存在高速尖锐冲击易破坏、热传导性能较差等缺陷,一般用来制造电池包上盖。

2.4 壳体的形貌优化

在对电池包结构进行优化设计的过程中,可以采用形状优化、形貌优化以及尺寸优化等方式实现优化设计。其中形状优化与尺寸优化需要改变结构件的形状和增加结构包的厚度。然而,在结构件厚度增加的情况下,电池包整体重量也会随之增加,进而对整车的续航能力与动力性能造成负面影响。对结构形状进行调整有可能会干涉到与尺寸位置相对固定的其它零部件,进而造成其他方面的问题。出于针对以上几项问题的考虑,建议采用形貌优化设计方法,在不对尺寸的表面起筋方式和结构件整体形状进行调整的基础上,对电池包整体结构性能进行优化。设计者在设计结构件的过程中,需要重点对电池包的上壳体进行优化设计。上壳体与其他结构件之间的连接相对简单,可设计区域广,有利于加强筋的形成。

3 结束语

纯电动汽车所使用的动力电池包,应当在保证功能、性能要求、碰撞安全以及电气安全的前提下,通过轻量化改造、轻量化设计和材料选择等手段,降低电池包重量。可供选择的实施途径具体包括以下四种,即通过玻璃纤维、碳纤维等材料制作电池包上盖、采用铝型材焊接动力电池包下壳体、简化热管理系统、标准化注塑模组架。


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