【電池】基于安全、輕量化、可靠性多目標(biāo)的新能源汽車電池包殼體開(kāi)發(fā)

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電池包作為新能源汽車的動(dòng)力源，是新能源汽車最重要的部件之一，而電池包殼體對(duì)電池包乃至整車起重要保護(hù)作用，是新能源汽車的關(guān)鍵部件。電池包殼體質(zhì)量占整車的2%～6%，電池包殼體對(duì)汽車輕量化同樣起到重要作用。基于全球汽車產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排發(fā)展目標(biāo)，從安全性、輕量化、可靠性3個(gè)角度出發(fā)，論述了新能源汽車電池包殼體開(kāi)發(fā)的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，展望其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)針對(duì)這一領(lǐng)域存在的共性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；電池包；安全；輕量化；可靠性

據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］，2022年，中國(guó)傳統(tǒng)燃油車銷量為2054.3萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)1.9%，燃油車市場(chǎng)稍有回暖，但市場(chǎng)總體依然呈下滑趨勢(shì)。相比較而言，2022年，新能源汽車銷量達(dá)688.7萬(wàn)輛，同比上升89.9%，市場(chǎng)呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)［2］。2009-2022年中國(guó)新能源汽車銷量及增長(zhǎng)率，如圖1所示［3］，新能源汽車銷量整體上保持著每年約60%的增長(zhǎng)率。對(duì)應(yīng)細(xì)分市場(chǎng)，如圖2所示［3］，電動(dòng)汽車銷量占新能源汽車的70%～80%，并且比例正穩(wěn)步增加［3］。數(shù)據(jù)顯示［4-5］，2020年新能源汽車市場(chǎng)滲透率為5.4%，2022年市場(chǎng)滲透率達(dá)到25.63%。根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》［6］，到2035年，市場(chǎng)滲透率將超過(guò)50%，新能源汽車市場(chǎng)潛力巨大。

圖1 新能源汽車銷量及增長(zhǎng)率［3］

圖2 新能源汽車銷量-各能源類型占比［3］

安全性、輕量化、可靠性是新能源汽車開(kāi)發(fā)高度關(guān)注的3個(gè)重點(diǎn)，都與電池包密切相關(guān)，而電池包殼體是電池系統(tǒng)的承載元件，其對(duì)電池包乃至整車的碰撞、能耗等產(chǎn)生重大影響。安全性方面，新能源汽車電池包在碰撞時(shí)存在巨大安全隱患，碰撞變形會(huì)引發(fā)內(nèi)部電池模組出現(xiàn)諸如短路、斷路、異常發(fā)熱、爆炸等現(xiàn)象，而電池包殼體的抗碰撞性能直接影響電池模組的安全性。輕量化方面，新能源汽車?yán)m(xù)駛里程與電池包息息相關(guān)，由于電池的單體比能量受材料、設(shè)計(jì)及成本限制，突破難度極高，所以各大新能源汽車廠把重點(diǎn)放到整車輕量化上。純電動(dòng)汽車質(zhì)量每降低10%，續(xù)駛里程將增加5%～6%。新能源汽車電池包質(zhì)量約占整車總質(zhì)量的20%～30%，電池包殼體質(zhì)量占電池包總質(zhì)量的10%～20%，所以電池包殼體自然成為輕量化的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象［7］?？煽啃苑矫妫履茉雌嚪圻^(guò)程會(huì)受到頻繁沖擊和振動(dòng)載荷，以及全球不同地區(qū)的溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境的侵蝕，所以在電池包設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮電池包的服役可靠性，包括強(qiáng)度、剛度、密封性、防火性、防腐蝕性等，如圖3所示［8］。

圖3 電池包總體匹配設(shè)計(jì)路線示例［8］

綜上所述，基于新能源汽車綜合開(kāi)發(fā)目標(biāo)，電池包殼體的安全性、輕量化、可靠性匹配設(shè)計(jì)成為主機(jī)廠高度重視的領(lǐng)域，也是電池包系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文將從上述3個(gè)層面入手，論述當(dāng)前新能源汽車在這一領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

安全性匹配設(shè)計(jì)

目前，全球已經(jīng)形成了較齊備的碰撞安全測(cè)評(píng)試驗(yàn)法規(guī)，如美國(guó)的FMVSS、歐洲的ECE等，我國(guó)也制定了相關(guān)法規(guī)［9］，如中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司推行的C-NCAP、中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司推行的C-IASI。為順應(yīng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國(guó)還專門制定了GB/T 31498—2015，明確提出了對(duì)新能源汽車的碰撞安全性要求，而最新版的C-NCAP也對(duì)新能源汽車提出了同樣的要求，甚至提出了專門針對(duì)電池包系統(tǒng)的安全性要求，從而為主機(jī)廠電池包，尤其是其殼體的開(kāi)發(fā)提供了寶貴的指導(dǎo)依據(jù)。

電池包安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于降低碰撞過(guò)程中電池包的損傷程度，所以優(yōu)化整車碰撞傳力路徑和提升電池包殼體的防護(hù)效果是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

整車碰撞傳力路徑與電池包在車身上的布置形式密切相關(guān)。當(dāng)前行業(yè)內(nèi)新能源乘用車典型的電池包布置形式，如圖4所示［7］，主要為懸置式和一體式。乘用車廣泛采用懸置式，電池包布置形式是將電池包懸置于車身底板，采用螺栓連接，此結(jié)構(gòu)給予乘員充分的駕乘空間，有利于保障電池包的剛度和碰撞性能，具有設(shè)計(jì)高效靈活、制造獨(dú)立性好的優(yōu)點(diǎn)，如日產(chǎn)Leaf、眾泰云EV和吉利帝豪EV等［10］。然而，隨著輕量化需求的增加，越來(lái)越多的主機(jī)廠將電池包殼體直接作為白車身的一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，即一體化設(shè)計(jì)，此結(jié)構(gòu)可大幅度提高空間利用率，并使傳力路徑更加順暢，提高整車碰撞安全性［11］，如奧迪Q4 e-tron、特斯拉Model Y等。不論是何種布置形式，在碰撞過(guò)程中電池包和車身一并承受碰撞載荷力，所以將電池包與車身作為一個(gè)系統(tǒng)，通盤考慮碰撞過(guò)程中載荷的傳遞路徑，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

圖4 典型的電池包布置形式［7］

此外，提升電池包殼體防護(hù)效果的關(guān)鍵在于降低碰撞侵入量和加速度，特別是側(cè)面碰撞，電池包側(cè)面碰撞的失效概率高于正面碰撞［12］。提升方法：（1）優(yōu)化電池包殼體結(jié)構(gòu)，如圖5所示［7］，調(diào)整殼體內(nèi)外部件的厚度，調(diào)整外部的整體外觀形貌及內(nèi)部各橫、縱梁的布置，實(shí)現(xiàn)局部強(qiáng)化；（2）結(jié)合電池包殼體在不同碰撞工況下的變形行為，將殼體內(nèi)部的高壓線束布置在碰撞影響較弱的部位，讓碰撞變形方向繞開(kāi)電池模組系統(tǒng)關(guān)鍵部位；（3）規(guī)避某些路面激勵(lì)和車身某些部位的低頻模態(tài)耦合［8］。一般情況下，通過(guò)恰當(dāng)布局殼體結(jié)構(gòu)，增加殼體的一階模態(tài)頻率，使其超過(guò)車身扭轉(zhuǎn)剛度，或者加強(qiáng)殼體約束連接，減少電池模組之間的相對(duì)活動(dòng)，兩種都是改善電池包殼體動(dòng)剛度的重要措施。

圖5 電池包結(jié)構(gòu)［7］

近年來(lái)，仿真手段已經(jīng)成為幾乎所有汽車總成設(shè)計(jì)的必備工具，電池包也不例外［13］。通過(guò)仿真模擬，系統(tǒng)優(yōu)化電池包殼體尺寸、結(jié)構(gòu)等，提升電池包殼體的碰撞安全性。相關(guān)案例不勝枚舉，冷曉偉等［14］、侯文彬等［15］利用Box-Behnken響應(yīng)面法、有限元仿真法、Optistruct軟件，以零件厚度、應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)樽兞?，建立電池包安全開(kāi)發(fā)模型。HARTMANN等［16］、楊書(shū)建［17］、王露［18］通過(guò)仿真模擬對(duì)殼體局部零件的形貌、尺寸、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并輔之以加強(qiáng)梁匹配設(shè)計(jì)，顯著提升了電池包殼體的剛度模態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。還有很多學(xué)者通過(guò)分析正面碰撞、側(cè)面碰撞、擠壓、側(cè)翻等工況下電池包殼體的載荷分布、變形量、載荷傳遞路徑、抗擠壓性能等，從結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行優(yōu)化，顯著提升了電池包的碰撞安全性［19-24］。

新能源汽車電池包的安全性開(kāi)發(fā)，往往需要與其他性能指標(biāo)（輕量化、可靠性、成本等）結(jié)合在一起，單目標(biāo)開(kāi)發(fā)較難平衡各項(xiàng)性能要求［25］，因此，需要從單一目標(biāo)開(kāi)發(fā)策略過(guò)渡到多目標(biāo)開(kāi)發(fā)策略。由于各性能相互制約、關(guān)聯(lián)，甚至矛盾，所以需要采用多目標(biāo)優(yōu)化方法。

然而，電池包殼體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程中要考慮海量的設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，導(dǎo)致全局最優(yōu)解搜索困難［26］。傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化算法，基于各種數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，如加權(quán)平均法、交互規(guī)劃法等，將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)求解，但對(duì)殼體這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，很難用具體的數(shù)學(xué)公式來(lái)表征，傳統(tǒng)算法失效［27-28］。啟發(fā)式算法，在尋優(yōu)過(guò)程中無(wú)需定義具體的數(shù)學(xué)模型，即可在全局范圍內(nèi)中尋找最優(yōu)解，解決傳統(tǒng)算法無(wú)法求解的復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題［29］，常用啟發(fā)式算法有遺傳算法、粒子群算法、向量機(jī)學(xué)習(xí)法等［30-32］。陳元等［7］基于模態(tài)、極限載荷工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、碰撞變形量為性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)法、NSGA-II遺傳算法，快速獲取了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，提升了目標(biāo)電池包殼體的綜合性能。郭迎福等［33］建立了電池包幾何模型及性能數(shù)學(xué)表征模型，基于數(shù)形結(jié)合原則和遺傳算法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善電池包殼體在極限工況下的加速度、侵入量、模態(tài)等。

目前，電池包殼體的安全性設(shè)計(jì)存在諸多難點(diǎn)。我國(guó)的新能源汽車碰撞安全法規(guī)未達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。我國(guó)法規(guī)依舊局限于正碰、側(cè)碰、偏置碰和后碰等常規(guī)工況，沒(méi)有涉及歐美地區(qū)的柱撞、動(dòng)態(tài)翻滾等更加惡劣的工況［9］。電池系統(tǒng)在安全性開(kāi)發(fā)方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與新能源汽車的安全開(kāi)發(fā)匹配度低。例如，電池領(lǐng)域的安全性測(cè)試驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)就難以兼顧裝配、電池包殼體和整車的情況。在模擬分析時(shí)，難以建立有效的碰撞性能仿真模型，殼體對(duì)電池模組的防護(hù)性能的預(yù)測(cè)精度較低，參考價(jià)值不大［34］。例如，AVDEEV等［35］、HONG等［36］建立了電池包仿真模型，預(yù)測(cè)在碰撞、擠壓、沖擊、跌落等工況的失效形式，但缺乏基礎(chǔ)性和工程應(yīng)用性研究，模型預(yù)測(cè)精度偏低。不過(guò)，中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司已在碰撞高精度仿真研究方面取得顯著成果，研究基于大量基礎(chǔ)性試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了材料“斷裂卡片”，能表征復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的斷裂性能（圖6），大幅提升碰撞仿真精度［37］。最后，不同電池系統(tǒng)的特性千差萬(wàn)別，電池包殼體安全性能匹配設(shè)計(jì)難以在行業(yè)內(nèi)推廣，尤其是難以形成一套規(guī)范化的設(shè)計(jì)流程。因此，行業(yè)需要基于電池包多工況加載試驗(yàn)，建立不同類別、規(guī)格的電池包在不同工況下的失效、短路、異常發(fā)熱等響應(yīng)特征關(guān)聯(lián)性，逐漸形成電池包的安全性設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程［38］。

圖6 材料斷裂卡片示例［37］

對(duì)于電池包殼體的碰撞安全匹配設(shè)計(jì)而言，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，也應(yīng)保證幾條路同步走，需要吻合材料工藝的發(fā)展趨勢(shì)，吻合安全法規(guī)發(fā)展，將碰撞安全性匹配設(shè)計(jì)融入多目標(biāo)協(xié)同開(kāi)發(fā)流程，更加緊密地將電池包殼體的安全匹配設(shè)計(jì)和車身、電池的開(kāi)發(fā)結(jié)合在一起，要建立一套專屬的電池包總成的安全性開(kāi)發(fā)流程。

輕量化匹配設(shè)計(jì)

高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、鋁合金、復(fù)合材料的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)新能源汽車輕量化必要環(huán)節(jié)。由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)牽頭編撰的《節(jié)能與新能源汽車輕量化技術(shù)路線2.0》，提出了基于新能源汽車輕量化，未來(lái)15年內(nèi)電池包殼體材料發(fā)展規(guī)劃。2020-2025年：下殼體以超高強(qiáng)鋼、擠出鋁型材為主，部分采用碳纖維復(fù)合材料，上殼體普遍采用復(fù)合材料；2025-2030年：下殼體以擠壓鋁合金和超高強(qiáng)鋼為主，部分采用碳纖維復(fù)合材料，探索性應(yīng)用泡沫鋁合金，上殼體以復(fù)合材料為主；2030-2035年：下殼體以擠出鋁型材為主，部分采用碳纖維復(fù)合材料和泡沫鋁合金，上殼體以復(fù)合材料為主。

新能源汽車電池包上殼體不起保護(hù)和支撐作用，僅起到密封防塵作用［39］。電池包上殼體主要材料有鋼板、鋁合金、復(fù)合材料。電池包上殼體早期一般采用沖壓鋼板，如特斯拉Model S、特斯拉Model 3、日產(chǎn)leaf、寶馬i3等，鋼板成本低、成形性好，但相較于其他材料，質(zhì)量過(guò)大，其質(zhì)量對(duì)比見(jiàn)表1［39］。

表1 某車型各材料電池包上殼體質(zhì)量對(duì)比［39］

目前，電池包上殼體主流材料是SMC復(fù)合材料（圖5中上殼體材料即為SMC），如帝豪GSE、北汽C30/C33、長(zhǎng)安C206、前途K50等，采用SMC復(fù)合材料代替鋼板，可實(shí)現(xiàn)20%～30%的輕量化效果，并且與金屬材料相比，SMC材料具備質(zhì)量小、成形性好、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。也有電池包上殼體材料使用沖壓鋁板，如蔚來(lái)ES8，其代替鋼板，可減重20%～30%，但鋁合金的沖壓性能不如鋼板，制備難度太高，只有少數(shù)企業(yè)應(yīng)用。

電池包下殼體在電池系統(tǒng)主要起承載整個(gè)電池質(zhì)量、抵御外部沖擊，保護(hù)電池模組的作用。電池包下殼體早期一般采用沖壓鋼板+焊接成型制備，成本低、強(qiáng)度高，但質(zhì)量很大，嚴(yán)重影響新能源汽車的續(xù)駛能力，現(xiàn)已基本被廢棄［39］。目前，電池包下殼體主流制備工藝有：擠出鋁型材+焊接成型、沖壓鋁板+焊接成型、壓鑄鋁+鑄造成型［40］。

擠出鋁型材+焊接成型是國(guó)內(nèi)企業(yè)普遍采用的下殼體制造方案，如蔚來(lái)ES8、小鵬G3、比亞迪秦，較鋼制下殼體，能減重30%以上，較沖壓鋁制下殼體，制備難度更低，較壓鑄鋁制下殼體，成型尺寸更大。沖壓鋁板+焊接成型是部分國(guó)外企業(yè)采用的下殼體制造方案，如寶馬i3、特斯拉Model 3，較鋼制實(shí)現(xiàn)減重40%以上。但由于鋁板模壓性能差，沖壓鋁制下殼體在國(guó)內(nèi)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。壓鑄鋁+整體鑄造是國(guó)內(nèi)部分企業(yè)采用的方案，如大眾Golf GTE。壓鑄鋁下殼體可以一體成型，可精準(zhǔn)集成鑄造下殼體各種單元，工序簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，但壓鑄鋁下殼體體積受限，無(wú)法應(yīng)用于大型新能源汽車，更多地用于PHEV車型?；诔杀究刂菩枨螅撝齐姵匕職んw依舊是國(guó)內(nèi)企業(yè)針對(duì)部分車型的首選方案，如威馬ex5、比亞迪元。泡沫鋁三明治材料、碳纖維復(fù)合材料，也是電池殼體輕量化的選擇，但目前正處于研發(fā)階段，尚未得到大規(guī)模應(yīng)用，如圖7所示［40］。

圖7 不同輕量化材料電池包下殼體［40］

龐大的新能源汽車電池包，使新能源汽車的總質(zhì)量超過(guò)傳統(tǒng)燃油汽車。由于新能源汽車電池包與底盤處于高度重合區(qū)域，所以底盤和電池包結(jié)構(gòu)的集成優(yōu)化，對(duì)新能源汽車輕量化十分重要［39］。

例如，CTP技術(shù)，一般電池包由電芯組裝成為模組，再把模組安裝到電池包里（圖8），CTP技術(shù)省略中間模組環(huán)節(jié)，直接將電芯集成在電池包上，電池包作為整車結(jié)構(gòu)件的一部分集成到車身地板下。CTP技術(shù)有效提升了電池包的空間利用率和能量密度，以及電池包的整體剛度，代表性的產(chǎn)品是比亞迪刀片電池。CTC技術(shù)，是CTP技術(shù)的進(jìn)階版，直接將電芯集成在地板框架內(nèi)部，將電池包殼體作為地板上下板，座椅直接與電池包上蓋連接，空間利用率達(dá)到63%，代表車型是特斯拉Model Y［41］。CTB技術(shù)，是CTC的改良版，保留了橫梁結(jié)構(gòu)和座椅支撐部分，僅部分底板被電池包上蓋代替，空間利用率提高至66%，并且車身結(jié)構(gòu)較完整，安全性更高［41］。CTB技術(shù)的代表車型是比亞迪海豹，其結(jié)合CTB技術(shù)和刀片電池技術(shù)，整車的扭轉(zhuǎn)剛度高于特斯拉的CTC車型。此外，寶馬i3采用BMW非承載式車身結(jié)構(gòu)，底盤承擔(dān)主要負(fù)載工作，電池包殼體承載載荷降低，使殼體可采用鋁板替代鋁型材，一定程度上減少了殼體質(zhì)量。特斯拉Model 3采用優(yōu)化的車身防撞設(shè)計(jì)（圖9），有效轉(zhuǎn)移電池包的碰撞沖擊載荷，并創(chuàng)新性地使用淺托盤形鋁板作為電池包下殼體，大幅減輕了電池包質(zhì)量，80.5 kWh電池包質(zhì)量?jī)H為478 kg［39］。

圖8 電池包裝配模式

圖9 特斯拉Model 3電池包外車身保護(hù)結(jié)構(gòu)件［39］

統(tǒng)計(jì)了近3年歐洲車身會(huì)議相應(yīng)車型及國(guó)內(nèi)部分電動(dòng)車車型的電池包殼體方案，見(jiàn)表2。由表2可知，輕質(zhì)材料憑借其密度小、比剛度大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為電池包殼體的首選方案，而輕質(zhì)材料中，鋁合金顯然已成為電池包殼體的主流材料，在下殼體中鋁合金使用比例超過(guò)80%，在上殼體中鋁合金使用比例超過(guò)50%。

表2 近3年歐洲車身會(huì)議及國(guó)內(nèi)部分電池包殼體方案

盡管輕質(zhì)材料具有極大優(yōu)勢(shì)，但高強(qiáng)鋼具有高安全性、低成本、低加工難度、成熟生產(chǎn)線、生產(chǎn)端碳排放低等優(yōu)勢(shì)，依然有一定競(jìng)爭(zhēng)力。因此，諸如浦項(xiàng)、安賽樂(lè)米塔爾、寶鋼等鋼企依舊在研發(fā)高強(qiáng)鋼制輕量化電池包，并結(jié)合輕量化、成本和安全性等方面形成相應(yīng)的解決方案，見(jiàn)表3。

表3 高強(qiáng)鋼制輕量化電池包殼體方案

未來(lái)，在鋁合金的補(bǔ)貼退出后，鋁合金的全部成本將會(huì)落到電池供應(yīng)商和整車企業(yè)肩上，在成本壓力作用下，低成本鋼材的競(jìng)爭(zhēng)力就會(huì)凸顯出來(lái)。未來(lái)中端以下的新能源汽車，在鋁合金補(bǔ)貼取消后，鋼很有可能成為制造電池包的重要材料。但對(duì)于中高端車型而言，鋁制電池包的成本并不算高，鋼材短期內(nèi)可能依舊難以撼動(dòng)鋁材的地位，但超高強(qiáng)度鋼可能會(huì)占有一定的份額，甚至還有其他更輕、更具競(jìng)爭(zhēng)力的材料?？傊磥?lái)隨著新能源汽車產(chǎn)銷量的增加，更具規(guī)模效益的電池包殼體解決方案也會(huì)出現(xiàn)，無(wú)論是鋁合金、鋼板還是復(fù)合材料，都將被企業(yè)重新納入考量，而輕量化、成本、安全性都是核心問(wèn)題。投資機(jī)構(gòu)、整車企業(yè)等將會(huì)綜合考慮各方因素（市場(chǎng)、產(chǎn)品定位），理性分析，決定采用何種材料。未來(lái)基于差異化競(jìng)爭(zhēng)，最終的結(jié)果可能依舊是不同類別材質(zhì)在電池包殼體制造領(lǐng)域占據(jù)各自穩(wěn)定的份額。

可靠性匹配設(shè)計(jì)

針對(duì)電池包殼體可靠性可分為三部分：（1）交變載荷（沖擊、振動(dòng)等）環(huán)境下的疲勞耐久性；（2）熱環(huán)境下的耐久性；（3）密封性能。本文重點(diǎn)針對(duì)和電池包殼體關(guān)系最密切的（1）和（3）項(xiàng)進(jìn)行論述。

電池包殼體的載荷可靠性設(shè)計(jì)，可以歸結(jié)到殼體材料的疲勞性能測(cè)評(píng)和殼體耐久壽命預(yù)測(cè)。電池包殼體從服役到疲勞失效的全過(guò)程為：在循環(huán)載荷作用下，殼體表面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微裂紋，局部微小的疲勞裂紋逐步擴(kuò)展，最終發(fā)生零件的瞬間斷裂失效［42］。

電池包殼體與車身為剛性連接，在服役過(guò)程中，電池包殼體承受彈性范圍內(nèi)的小應(yīng)力高頻次加載，屬于高周疲勞，因此，可以采用名義應(yīng)力法預(yù)測(cè)殼體耐久性［8］。名義應(yīng)力法：通過(guò)實(shí)際載荷試驗(yàn)和仿真模擬，確定電池包殼體的應(yīng)力分布特性和高危險(xiǎn)區(qū)域；測(cè)試殼體材料的S-N曲線，計(jì)算危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)；結(jié)合殼體材料疲勞極限強(qiáng)度和插值法，獲得殼體理論壽命預(yù)測(cè)曲線；根據(jù)殼體高危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)力值、理論壽命預(yù)測(cè)曲線和疲勞累計(jì)損傷定律，預(yù)測(cè)殼體的耐久壽命值。

值得注意的是，車輛實(shí)際行駛過(guò)程中，電池包殼體承受的載荷為隨機(jī)振動(dòng)載荷，為了提高疲勞壽命預(yù)測(cè)精度，需要基于隨機(jī)振動(dòng)載荷譜建立相應(yīng)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。例如，模態(tài)疊加法，建立在模態(tài)的正交性及展開(kāi)定理基礎(chǔ)上的一種求解動(dòng)力響應(yīng)的近似方法［43-44］；雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法，將不規(guī)則的隨機(jī)時(shí)間載荷過(guò)程轉(zhuǎn)換為一系列新循環(huán)的方法；功率譜密度（PSD），是其自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換［45］。蘇陽(yáng)等［42］基于PSD譜，以模態(tài)疊加法進(jìn)行新能源電池包殼體振動(dòng)疲勞仿真分析，仿真結(jié)果與試驗(yàn)一致。祁超等［46］基于PSD譜，結(jié)合疲勞斷裂問(wèn)題，建立了一種新的振動(dòng)疲勞仿真方法，殼體仿真疲勞損傷與試驗(yàn)相符，并基于此，對(duì)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到振動(dòng)疲勞試驗(yàn)要求。

上述基于隨機(jī)振動(dòng)理論、PSD譜的頻域分析方法，預(yù)測(cè)電池包殼體的壽命，在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用。相比于諸多準(zhǔn)靜態(tài)分析法、時(shí)域（瞬態(tài)）分析法，頻域分析方法往往更加簡(jiǎn)便，不需循環(huán)計(jì)數(shù)，是目前疲勞壽命分析的主流方法，其基本分析流程如圖10所示［46］。

圖10 頻域疲勞分析流程［46］

此外，電池包殼體的連接接頭部位是高疲勞失效區(qū)域，對(duì)電池包殼體的壽命預(yù)測(cè)及壽命提升工作，起始點(diǎn)就是針對(duì)連接接頭。交變應(yīng)力下的載荷譜、接頭部位的動(dòng)應(yīng)力大小、接頭在不同應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)，是接頭疲勞壽命預(yù)測(cè)的三大必備要素。王顯廷等［42］基于某電池包局部連接結(jié)構(gòu)特性建立了對(duì)應(yīng)的焊縫仿真模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)殼體危險(xiǎn)疲勞區(qū)域較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。谷理想等［47］采用ASME2007結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，基于S-N曲線的預(yù)測(cè)技術(shù)，再加上Miner理論和名義應(yīng)力法，預(yù)測(cè)電池包的焊縫疲勞壽命，對(duì)電池包結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)有實(shí)際工程意義。

關(guān)于電池包殼體壽命仿真評(píng)價(jià)規(guī)范，基礎(chǔ)依據(jù)包括，試驗(yàn)場(chǎng)整車強(qiáng)化路載荷譜、電池包系統(tǒng)路載荷譜、2015版國(guó)標(biāo)（GB/T 31467.3—2015）振動(dòng)載荷譜、最新版《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》振動(dòng)載荷譜。其中，基于真實(shí)車型道路載荷譜，建立相應(yīng)的整車-電池包模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包壽命的預(yù)測(cè)是當(dāng)前主機(jī)廠采用最多的方法［48］?？傊?，基于交變載荷條件下的耐久疲勞可靠性開(kāi)發(fā)，當(dāng)前的發(fā)展非常迅速，建立更加貼合真實(shí)工況的虛擬模型及虛擬驗(yàn)證規(guī)范流程體系是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

按照行業(yè)要求，電池包殼體的密封性需要達(dá)到IP6K7等級(jí)，甚至某些企業(yè)需要達(dá)到IP6K9K等級(jí)。由于電池包殼體密封長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般多達(dá)數(shù)米，且密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較少，所以對(duì)其密封性要額外注意。

當(dāng)前新能源汽車電池包殼體密封設(shè)計(jì)方案有兩種方案，如圖11所示［8］：（1）O型密封，密封條受到殼體的保護(hù)，不容易出現(xiàn)損壞；（2）矩形密封，對(duì)電池包上下殼體的結(jié)構(gòu)匹配要求較低，適應(yīng)性強(qiáng)，是目前使用最多的方案［8］。

圖11 兩種不同截面形式的主密封條［8］

電池包殼體密封失效一般是主密封面的起伏變化導(dǎo)致的。失效區(qū)域上、下殼體的匹配與其他區(qū)域具有一定差異，使密封墊的密封狀態(tài)出現(xiàn)差異，很容易發(fā)生泄漏。因此，在殼體設(shè)計(jì)中需要保證主密封面位于同一平面，確保主密封面有足夠的緊固螺栓和預(yù)壓縮量，以保證密封墊內(nèi)外的壓差。

密封材料也是保證殼體密封性的又一關(guān)鍵要素。為了得到較高的密封接觸壓強(qiáng)，就需要采用較高泊松比的橡膠材料，如三元乙丙橡膠、聚氨酯發(fā)泡密封膠、硅橡膠等，其中三元乙丙橡膠綜合性能優(yōu)越，已在車身上廣泛應(yīng)用，作為主要的電池包殼體密封材料?？傊?，選擇何種密封材料，應(yīng)綜合考慮壓縮率、熱膨脹率、熱變性質(zhì)等方面的要求［8］。

展望

綜上所述，新能源汽車蓬勃發(fā)展，而電池包作為核心部分，其匹配設(shè)計(jì)問(wèn)題至關(guān)重要，安全性、輕量化、可靠性成為其主要的匹配設(shè)計(jì)方向。電池模組作為一種“脆弱”結(jié)構(gòu)，其服役性能幾乎完全依賴電池包殼體設(shè)計(jì)。展望未來(lái)，建議可以從以下6個(gè)方面予以提升。

（1）盡快完善我國(guó)現(xiàn)有新能源汽車電池包的碰撞安全法規(guī)，尤其要引入當(dāng)前歐美法規(guī)中的特殊工況測(cè)評(píng)內(nèi)容，促進(jìn)我國(guó)在新能源汽車電池包安全性方面的開(kāi)發(fā)。

（2）建立與法規(guī)相適應(yīng)的電池包碰撞安全性能仿真設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證流程規(guī)范體系。將電池包的安全匹配設(shè)計(jì)，與輕量化、NVH等性能目標(biāo)一起納入車型先期概念開(kāi)發(fā)階段，貫穿整個(gè)車型開(kāi)發(fā)流程。建立強(qiáng)大的軟件仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電池包殼體總成安全性設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的模塊化、平臺(tái)化。運(yùn)用材料斷裂卡片模型技術(shù)手段，提升電池包殼體的安全設(shè)計(jì)精度。

（3）建立不同殼體材料、不同電池單體在不同服役工況下的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、疲勞性能數(shù)據(jù)庫(kù)，從電池包整體角度考慮，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)層面的安全性和可靠性設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本。

（4）未來(lái)新能源汽車不會(huì)面臨燃油車技術(shù)、成本、品牌認(rèn)知度之間難以融合的矛盾，尤其是價(jià)格弊端不再明顯，這將激勵(lì)新能源車企應(yīng)用更多的新材料。未來(lái)，鋁合金電池包可能相比于鋼材占比更大，將大力開(kāi)發(fā)強(qiáng)度級(jí)更高的鋁合金材料及與之相對(duì)應(yīng)的先進(jìn)工藝，提升以鋁代鋼的減重率，實(shí)現(xiàn)性能、減重、成本之間的平衡。復(fù)合材料同樣如此，促進(jìn)電池包進(jìn)一步輕量化。

（5）針對(duì)可靠性設(shè)計(jì)，未來(lái)應(yīng)致力于建立基于電池包總成的專屬虛擬設(shè)計(jì)及驗(yàn)證平臺(tái)。這一方面需要完善材料級(jí)疲勞評(píng)價(jià)模型，尤其是復(fù)雜應(yīng)力條件下的材料疲勞模型，另一方面需要建立高精度的可靠性虛擬驗(yàn)證平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)建立電池包的可靠性測(cè)評(píng)指標(biāo)，提高主機(jī)廠和電池制造廠開(kāi)發(fā)流程的匹配度，促進(jìn)我國(guó)電池包可靠性設(shè)計(jì)能力的提升。

（6）強(qiáng)化產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，加快促進(jìn)與高品質(zhì)電池包開(kāi)發(fā)相關(guān)的新材料、新設(shè)計(jì)方法、新工藝技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化的步伐。

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