新型复合材料与新能源汽车电池包轻量化

　　近几年，我国电动汽车市场经历了快速增长，2014-2015 年间增长率达100%-300%，2019 年上半年国内电动汽车保有量达到了344 万辆，但其续航里程却一直饱受诟病，在此背景下，利用轻量化技术提高电动汽车续航里程是行之有效的关键技术方法。汽车轻量化主要从结构优化、新材料应用及先进制造工艺等方面来实现，其中新材料技术对轻量化的发展具有极大潜力。

　　轻量化并非简单地将整备质量减轻，而是在保证强度和安全性能的前提下尽可能地降低整备质量并保证制造成本在合理范围内，以实现安全性和经济性的兼顾统一。电池包箱体作为动力电池的承载和防护机构，在电池包系统中占据重要位置，而且其整备质量目前偏大，具有较大的轻量化空间，同时政策对于电池包能量密度的要求逐步提高，使得电池包箱体轻量化发展具有很强的紧迫性。

　　清华苏州汽研院成立于2011 年，属于清华大学外派的独立法人单位，聚焦汽车应用技术研究与开发，并促进科技成果转化和产业化。吴中旺副主任从电池包用材现状和发展趋势、材料关键力学性能标定和电池包系统开发关键技术三个层面出发，系统阐述了新能源汽车电池包的轻量化。

　　电池包的用材现状与趋势

　　复合材料具有轻质高强等优良性能，在动力电池包轻量化方面发挥着越来越重要的作用。热塑性复合材料具有可重复使用、成本低、成型快等特点，是电池包箱体制造的理想材料。热塑性复合材料的成型，如注塑成型、LFT-D 在线模压成型、 GMT 模压成型等，均可用于电池包的成型。电池箱上盖采用热固性复合材料成型，如SMC、BMC 等，已广泛应用于电池包生产。

　　吴中旺副主任表示：“动力电池包箱体作为动力电池的承载防护结构，在动力电池包中占据重要位置。就目前而言，动力电池包箱体主要有钢钣金焊接、铸铝箱体和铝挤型材焊接、复合材料等技术路线。复合材料具有比强度高、比模量大，各向异性，耐疲劳性能好，阻尼减振性好，耐化学腐蚀性好，可设计性强，可整体化成型等一系列的优点，逐渐被应用到汽车轻量化零部件中。”

　　根据我国现行的新能源汽车补贴政策，单车补贴金额采用分级补贴方式，分别衡量续航里程、能耗系数以及电池系统的能量密度。从电池能量密度角度看，最低补贴标准为105瓦时/千克，补贴系数为0.6，若高于120 瓦时/ 千克，系数为1.1，高于140 瓦时/ 千克，系数为1.2。

　　这无疑在很大程度上促进了整车企业及电池厂商在电池包轻量化上的研究。

　　业内普遍认为，碳纤维复合材料是电池包箱体的理想用材，该材料不但强度高、成型性强，而且材质极轻，有助于提高电池能量密度，并提高续航里程。与当前新能源汽车车用电池包主流应用的铝合金电池托盘相比，碳纤维增强复合材料的重量只有后者的四分之一。

　　事实上，传统车用电池箱采用钢板、铝合金等材料铸造，然后对表面进行喷涂处理。随着汽车节能环保和轻量化发展，电池壳体材料也出现了玻纤增强复合材料、SMC 片状材料、碳纤维复合材料等多种轻量化的材料选择，但受制于技术和成本等方面的因素，这些材料尚未得到大规模应用。

　　力学性能和电池包系统开发关键技术

　　随着汽车技术的进步和节能环保意识的提高，法规对汽车的油耗与排放及安全提出更加苛刻的要求，零部件的轻量化设计开发需要轻量化材料测试与验证平台支持。清华大学苏州汽车研究院的汽车轻量化技术中心是轻量化零部件以及电池结构件的开发平台。从材料→部件→系统→整车 从选材→结构→工艺→性能全面的汽车轻量化工程解决方案。聚焦于整车、零部件及材料的碰撞安全和疲劳耐久的试验和仿真分析。

　　吴中旺副主任认为：“在复合材料轻量化开发应用方面，由于复合材料的各项异性的特点，在产品开发上既是优点也是难点，应该进行复合材料的关键力学性能表征，获得工程开发所需要的力学参数，比如高低温，高低速拉伸，疲劳试验，剪切、压缩，拉剪等。”

　　他同时表示，提升电池能量密度有两种路径，一是增加单体电芯的比能量，二是电池包的结构轻量化，包括新材料的应用、结构优化设计、新工艺集成等方面，提升电池能量密度其实是个系统工程，因此材料不是唯一的变量。

　　想要准确的精细化的仿真开发电池包，有效指导电池包系统设计，需要了解电池单体，电池模组和电池包的失效机理，同时应该研究准静态和高速碰撞下的失效状态。吴中旺指出，电池包系统的CAE 仿真开发的难点是如何将电池单体进行等效化处理，以便于提高仿真精度。

　　吴中旺副主任以其目前开发的电池单体精细化模型为例：将电池单体，或者内部卷芯结构看作一个整体，用单一的材料模型来 模拟单体或卷芯力学响应的均质化模型。

　　模拟方法：① 由电池内部组分力学测试结果推算得出；② 对整个电池单体或卷芯进行材料力学性能测试和表征；基于卷芯的材料模型，选取沿模组中单体堆叠方向挤压工况进行仿真对标，采用MAT126# 材料卡表征单体的材料性能。

　　结论是：对标结果表明，电池单体采用精细化模型的模组模型静态挤压仿真结果只在侵入量3mm 之前与试验结果吻合较好，载荷峰值远大于试验中的载荷峰值；而电池单体采用均质化模型的模组模型静态挤压仿真结果在侵入量12mm 之前与试验结果吻合较好，在一定程度上可满足工程应用。

　　吴中旺副主任最后表示，碳纤维复合材料的高成本是限制其在汽车行业应用的主要问题，研发汽车专用高模量低成本碳纤维是目前的研究重点。研发快速固化树脂与预浸料，提高成型节拍是降低碳纤维复合材料成本的主要措施。随着复合材料的成本逐步降低，未来复合材料有望实现在电池包箱体上的大规模应用。此外，多材料轻量化动力电池包设计开发是未来发展趋势之一。在不同部位应用不同特性的轻量化材料，以得到最优性能的箱体结构设计同时减小质量和成本。针对混合材料电池箱体结构，结构创新设计和异种材料连接技术是关键。

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