新材料与工艺手册

纯电动汽车电池包壳体轻量化材料应用及研究进展

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发表于 2020-9-30 14:46:28 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】纯电动汽车电池包壳体轻量化材料应用及研究进展

王付才1,2 杨海1,2
(1.江西江铃集团新能源汽车有限公司,南昌330000;2.南昌市车用轻量化材料应用工程技术研究中心,南昌330000)
摘要:电池包能量密度的提升是增加电动车续航的关键,降低电池包壳体重量能有效提升电池包能量密度。电池包壳体分为下壳体和上盖,对高强钢、铝合金、SMC、碳纤维复合材料等轻量化材料在电池包壳体上的应用情况进行了综述,浅析了不同材料和工艺在应用中的优缺点,并对电池包壳体轻量化材料的最新研究进展和未来发展的技术路线进行了简介。
关键词:电池包 壳体 轻量化 材料

1 前言
截止2019年底,全国汽车保有量达到2.6亿辆,机动车每年排放大量的CO2是地球温度逐渐上升的原因之一[1],极端天气的出现及冰川融化等环境问题日益突出,北京大学胡敏等[2]的最新研究表明机动车尾气的光化学氧化促进大气新粒子的生成,进而导致我国城市地区雾霾的形成。近年来,随着环境压力增大和国家政策扶持,新能源汽车迎来了快速发展,截止2019 年底全国新能源汽车保有量为381万辆,其中纯电动车保有量达到310万辆。随着世界能源危机和环境污染日益严重,汽车电动化将是未来汽车的主流。《中国制造2025》及工信部发布的《新能源汽车产业发展规划2021-2035》明确指出要大力发展轻量化材料在节能与新能源汽车上的应用,汽车轻量化作为国家战略开始受到重视。轻量化对汽车节能减排效果明显,对于传统燃油车,汽车质量每降低10%,可降低油耗6%~8%,排放下降3%~4%;对于新能源纯电动汽车,汽车质量每减少10%,电耗下降5.5%,续航里程增加5.5%,同时汽车质量的降低可减少制动距离,提高安全性能[3-4]。
较传统燃油车而言,电动汽车多了三电系统(电池、电机、电控)核心部件,一般会占到新能源汽车整车重量的30%~40%[5],电池包占整车重量的18%~30%,其中电池包壳体占电池包重量约为10%~20%[6]。电池包各主要部件中,质量最大的是电芯本体,其次是电池包壳体(箱体),目前电池包壳体开发应用的主要轻量化材料有高强钢、铝合金、SMC 和碳纤维复合材料等。按照电池包壳体的2 个组成部分,下壳体和上盖,对目前纯电动汽车电池包壳体轻量化材料应用进行综述并对其最新研究进展进行介绍。

2 电池包下壳体
电池包下壳体是电池包壳体最主要的组成部分,根据中国汽车工业协会统计数据表明,近6 年来以纯电动汽车为主的新能源汽车的保有量迅速攀升,如图1 所示。电池包壳体供应商出货量也快速增长,早期下壳体制造主要以低碳钢或高强钢冲压成型后拼焊而成,如图2 所示,目前下壳体材料基本为铝合金,只是不同企业所用的工艺不尽相同,目前采用的工艺主要有挤出铝型材搅拌摩擦成型、冲压铝板焊接(铝弧焊或点焊)和整体铸造成型。同时也有部分企业和学者对泡沫铝三明治材料、碳纤维等复合材料制造电池包壳体开展了前瞻性的研究。
图1 新能源汽车保有量(以电动汽车为主)

图2 日产LEAF电池包壳体


2.1 铝型材搅拌摩擦焊/弧焊电池包下壳体
由于铝型材具有挤出成型模具成本低、工艺简单、断面设计柔性好和强度高等特点,目前国内纯电动车企业基本采用铝型材搅拌焊接配合少量铝弧焊工艺制造电池包下壳体。搅拌摩擦焊(FSW)是通过将高速旋转的搅拌头压入待焊母材,并借助其旋转接触摩擦热将工件加热至塑性软化区,并最终冷却形成有效连接的一种固相连接工艺[7]。搅拌摩擦焊具有使用范围广、接头质量高、焊接成本低、便于自动化等优点,缺点是对装配精度要求较高[8]。焊接部位主要集中在底层型材对拼焊接和边框与底层型材总成焊接工序。
目前国内车企普遍采用此种工艺制造电池包下壳体,例如蔚来ES8(图3a)和小鹏G3(图3b)纯电动汽车电池包下壳体采用搅拌摩擦焊配合少量弧焊制造,挤出型材一般选用6063-T6,6061-T6 等6系铝合金,较钢制下壳体能实现减重30%以上。另外由于铝型材模具成本低,也特别适用于新能源汽车产量并不高时的成本控制,同时由于底板为型材结构,强度刚度性能好,在大尺寸的电池包壳体制造中更有优势。中国忠旺等壳体制造商也采用铝合金型材全弧焊工艺制造电池包下壳体[9],全弧焊工艺的难点在于焊接变形及焊缝质量的控制。
图3 铝合金电池包下壳体

相对于铝弧焊工艺,FSW(搅拌摩擦焊)具有焊接效率高,焊后变形小的优点,同时拉伸强度也略高,抗冲击性能及疲劳性能明显更优[10],同时FSW 接头耐腐蚀性能也优于铝弧焊接头[11]。目前在国内一些电池壳体制造商纷纷对搅拌摩擦焊接电池包壳体申请了专利保护[12~14],许多学者对搅拌摩擦焊接壳体的结构、工艺优化、接头质量评价都进行了广泛深入的研究[15~17]。

2.2 冲压铝板焊接电池包下壳体
冲压铝板焊接电池包下壳体具有非常好的轻量化效果,相对于钢材在不降低刚度的前提下,能减重40%[18]。但由于其拉延深度,电池包振动、冲击强度不足等问题,需要车企有较强的车身底盘集成设计能力,对电池包进行结构强化和碰撞保护。
目前采用冲压铝板焊接工艺的电池包壳体主要有宝马i3(图4)、特斯拉Model S(图5)、特斯拉Model 3(图6)等,相关参数见表1。宝马i3 底板是有4 mm 的铝板冲压而成,长度方向布置有加强筋,在底板周边均匀布置有冲压凸台与车身下车体连接,底板周边一圈是挤出型材,通过CMT 连续弧焊的方式与底板连接,型材上表面布置有与上盖连接的安装孔,上盖采用的是0.8 mm 的冲压成型的低碳钢板,此种形式结构简单轻量化效果好。该车于2014 年上市,电池包能量密度达到142 W·h/kg。此种结构和工艺的难点在于控制底板冲压回弹以及底板与周边型材满焊引起的翘曲变形,特别是长度方向两端的翘曲变形。
图4 宝马i3电池包壳体

图5 特斯拉Model S电池包壳体

特斯拉的电池包能量密度从2012年上市的Model S 142 W·h/kg到2017年上市的Model 3 168 W·h/kg,除了电芯由18650 转换到2170 单体能量密度提升了20%,另外比较重要是电池包壳体的轻量化做得更好,Model S的下壳体底板是6 mm的铝板,四周和下车体连接安装点为铝型材,前端为铝铸件,中间为16个模组安装固定的型材,所有连接基本由铝弧焊实现。而Model 3的下壳体底板仅是3.2 mm铝合金冲压板,四周与下车体连接位置增加3 mm加强铝板与底板点焊相连,中间有铝型材加强与底板点焊连接,由于电池包尺寸较大,中间型材有孔位与下车体相连,以提高电池包的强度和刚度,特斯拉在Model 3 的电池包下壳体中采用更优化的结构设计和工艺选择,相对于Model S轻量化效果更好。
图6 特斯拉Model 3电池包壳体

表1 不同车型电池包参数对比

2.3 铸造铝合金电池包壳体
目前在汽车行业中,铝合金铸造常用的工艺有重力铸造、半固态铸造、低压铸造、差压铸造及高压铸造等,在电池包壳体铸造工艺中主要为高压铸造,同时也有部分学者对电池包壳体的低压铸造和熔模铸造进行了研究。
压铸电池包壳体可以一体成型,能灵活的进行结构和壁厚设计,能集成电池包壳体侧壁吊耳、冷却通道等,该方法具有工序简单、生产效率高、尺寸精度高和气密性良好等优点。目前常用的压铸材料一般为AlSi10MgMn、AlMg5Si2Mn、AlSi9Mn和AlSi7 等,壁厚一般为2.5~4.5 mm,为保证力学性能,一般采用真空压铸的方式,模腔真空度小于50 mbar,如大众Golf GTE 插电混合压铸电池包壳体(图7a)、BMW X5 插电混动电池包壳体(图7b)。何健浩等[19]提出了一种新能源汽车的电池包壳体压铸成型的方法及相应的电池包壳体(图7c);查建双等[20]公开一种新能源电池壳体,包括压铸部分和非压铸部分,减少压铸时的正投影面积,降低压铸机吨位,降低成本(图7d)。
徐文治等[21]采用低压铸造工艺对新能源汽车电池包壳体的不同位置的组织和力学性能进行了研究,壳体材质为ZL102 铝合金,重25.6 kg,外形尺寸约为1 540 mm×1 265 mm×200 mm,平均壁厚6 mm,结果发现,壳体表面存在流痕、凹陷,内部存在疏松、夹杂等缺陷。不同位置的力学性能存在明显差异,提出了电池包壳体低压铸造工艺的改进方案,以提高低压铸造生产大型薄壁铝合金件的质量。程文文[22]采用熔模精密铸造技术对材质为ZL201A 铝合金的电池包壳体结构轻量化进行了研究,结果表明电池包在满足静态、动态性能以及疲劳寿命要求的情况下,电池包减重5.785 kg,轻量化效果明显。
铝合金铸造电池包壳体目前并不是主流,一般用在比如通用、宝马PHEV 车型这种尺寸偏小的电池包壳体上,在纯电动汽车这种需要较大尺寸电池包壳体上应用较少,如腾势500 采用的是铝铸造电池包壳体,主要原因如下。
a.整体铸造成型需要一次投入模具费用很高,需要对应的压机吨位很大;
b.整体铸造成型表面和内部缺陷较多,不同位置力学性能差异大,影响壳体可靠性;
c.由于铸造壁厚的限制,整体铸造电池包壳体轻量化效果相对于铝板和型材工艺轻量化效果稍差。
图7 铸造铝合金电池包下壳体

2.4 泡沫铝“三明治材料”电池包下壳体
泡沫铝由于密度低,具有出色的力学、电学、热力学性能而被人们广泛关注和应用,单纯泡沫铝机械强度较低,近年来研究工作者通过尝试在泡沫铝中加入多种增强相以及通过金属薄壁腔体形成“三明治材料”复合结构来提高泡沫铝的综合性能[23]。
Schmerler 等[24]在设计电池下壳体时,选用了一种三明治结构材料。这种三明治结构材料是利用高强铝合金作为外壳来提高其强度,利用相变材料渗透到铝合金中实现热传导,电池包上盖采用PA6 复合材料以减轻整体质量,如图8 所示。Baumeiste 等[25]制造了一个20 kW·h 的电池包壳体,壳体采用泡沫铝三明治材料制造,表层铝板采用0.5 mm 厚高强铝合金,中间填充泡沫铝,形成厚度为5 mm 的三明治结构,整体密度为940 kg/m3,为铝合金的1/3,质量减轻了10%~15%,同时也显著提高了弯曲刚度。
图8 “三明治材料”电池包壳体

2.5 碳纤维复合材料电池包下壳体
碳纤维环氧树脂复合材料密度为1 400~1 800 kg/cm3,约为钢的1/4~1/5,另外具有非常高的比强度(材料拉伸强度与密度之比)和比模量(材料弹性模量与密度之比),比强度约为钢的5~7倍,比模量约为钢的4~6 倍,同时具有优异的低热导率、抗腐蚀性能和阻燃性[26-27],是汽车轻量化的理想材料。但目前较为昂贵的价格(约为铝的5倍,钢的10倍)限制了碳纤维复合材料的应用普及,所以碳纤维复合材料电池包壳体目前国内市场上并无量产应用,部分企业进行了前瞻研究探索。天津中科先进技术研究院与力神合作开发碳纤维复合材料电池包壳体总质量约为24 kg,较铝合金结构减重50%,能量密度高达210 W·h/kg。蔚来与德国SGL Carbon联合开发了84 kW·h碳纤维电池包(图9),该碳纤维壳体比铝结构轻40%,能量密度大于180 W·h/kg。
段端详[28]等对碳纤维复合材料电池包壳体进行了轻量化设计和铺层工艺优化,在满足相关工况条件下,得到的壳体重量较钢结构减轻了66%。赵晓昱[29-30]等采用碳纤维复合材料,利用刚度等效设计法对电池包壳体进行轻量化设计,相比于钢结构质量减小64%~67.6%。
图9 碳纤维电池包壳体

3 电池包壳体上盖
电池包壳体上盖主要材质有冲压钢板、冲压铝板、SMC、碳纤维等复合材料。日产LEAF、BMW i3、Model S、Model 3 等电池包壳体上盖均采用0.8 mm厚度的冲压钢板,钢板具有较好的冲压性能,能较好的实现上盖高度方向的特征成型,特斯拉的Model S 和Model 3 电池包壳体上盖是由2 块冲压钢板激光焊拼接而成。采用1.5~2 mm的冲压铝板制造电池包壳体上盖可实现20%~30%的轻量化效果,如蔚来ES8,小鹏G3电池包壳体上盖,但铝板的冲压性能不如钢板,在一定程度上也限制了其应用。目前国内的电池包壳体主流是不饱和聚酯玻璃纤维增强模塑料(Sheet Molding Compound,SMC),如帝豪GSE、长安C206、广汽GE3、北汽C30/C33、前途K50等电池包壳体上盖均采用SMC材质,厚度一般为2.5 mm 左右,与传统金属材料相比,SMC 材质具备密度较小(约为1 800 kg/m3)、可设计性强、整体成型、尺寸稳定、耐腐蚀、减震性好和阻燃性能可达V0级等优点[31]。
刘南南等[32]对0.8 mm 厚度钢、1.5 mm 厚度铝和3 mm 厚度SMC 在相同工况下进行仿真分析,发现SMC 复合材料的电池包上壳体不仅实现上壳体的轻量化而且刚度也优于金属材料,提高了上壳体整体的力学性能。刘舒龙等[33]采用3 mm 的PP玻璃增强复合材料替代1 mm 厚的冲压钢板,降重达到50%。吴德顺[34]分别设计了金属材料及PPLGF 材料电池包方案,结果表明PP-LGF 方案可以实现减重80%,同时不同工况下最大应力可降低55%~60%,全铝车身的奇瑞小蚂蚁eQ1 电池箱上盖也采用了PP-LGF 材料进一步减重[6]。Liu 等[35]采用RBDO 方法解决CFRP 电池包壳体上盖轻量化设计问题,在性能满足要求的情况下,实现减重22.14%。谭礼忠等[36]对1.5 mm 厚度铝上盖(方案一)、1.5 mm 厚碳纤维上盖(方案二)和0.5 mm 碳纤维+3 mm 厚蜂板+0.5 mm 厚碳纤维复合上盖(方案三)3 种方案进行对比研究,发现方案三为最优,并相对于方案一可减重31%。

4 结束语
为缓解电动汽车里程焦虑问题,各大主机厂纷纷提高电动汽车的续航能力,其中电池包能量密度的提升是电动车续航增加的关键。电池包壳体质量约占电池包质量10%~20%,降低电池包壳体重量能有效提升电池包能量密度和增加电动车续航。目前国内主流的电池包壳体轻量化方案是铝合金型材搅拌摩擦焊接下壳体和SMC 上盖,是目前电动汽车综合成本与轻量化综合考虑较好的解决方案。而特斯拉Model 3 等采用的冲压铝板和型材点焊连接电池包下壳体是在产量达到一定规模后更佳的下壳体轻量化解决方案。未来更优电池包壳体轻量化方案为碳纤维壳体,需要在碳纤维成本下降到一定程度后,该方案将会成为主流。另外热成型等超高强钢和镁合金等轻量化材料也将会加入到电池包壳体轻量化材料应用研究中,铝合金、SMC、碳纤维复合材料、热成型等超高强钢和镁合金等材料拥有不同的机械和物理性能,在兼容轻量化的同时也可为电池包壳体材料选型增加更多的选择,从而在电池包结构设计、成本、性能间达到一个最优平衡。

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