動(dòng)力電池包是電動(dòng)汽車核心零部件之一抠衬，其內(nèi)部由大量電池單體通過串并聯(lián)方式形成模組傲醉、系統(tǒng)坷牛，電池包重量約占整車總重 20-30%乌助，生產(chǎn)成本約為整車 50%溜在。電動(dòng)汽車安全事故中絕大部分是電池包故障導(dǎo)致，如碰撞中電池包變形嚴(yán)重引發(fā)單體內(nèi)短路他托、充放電中單體溫升異常誘發(fā)熱失控等掖肋。

電動(dòng)汽車的快速發(fā)展對(duì)動(dòng)力電池包提出了嚴(yán)苛的要求，如超長(zhǎng)續(xù)駛里程赏参、高比功率與高比能量指標(biāo)志笼、高安全性和可靠性要求。

電池包為什么要輕量化把篓？

研究數(shù)據(jù)表明纫溃，傳統(tǒng)燃油汽車減重10%，經(jīng)濟(jì)性可提升 6-8%韧掩；而等速行駛工況下電動(dòng)汽車自重降低10%紊浩，可使整車增加10%左右的續(xù)駛里程。

車用動(dòng)力電池包可通過單體比能量提升柒汉、箱體結(jié)構(gòu)輕量化绒催、制造工藝改善等方式來增加整車?yán)m(xù)駛里程。單體比能量受電芯內(nèi)部材料組分和外部尺寸限制否抛，在短期內(nèi)難以有突破性的進(jìn)展拦腌；電池包結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)可減輕重量從而增加整車?yán)m(xù)駛里程，因此箱體輕量化與模組緊湊化設(shè)計(jì)無(wú)疑是提升續(xù)駛里程的可行途徑言酪。

電池包輕量化途徑有哪些岭限？

電池包輕量化設(shè)計(jì)主要有系統(tǒng)設(shè)計(jì)層級(jí)與詳細(xì)設(shè)計(jì)層級(jí)中多種途徑，如圖所示败饵。電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足各項(xiàng)機(jī)械安全酣器、密封絕緣和防火等性能要求。箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度熊过、剛度吝重、耐撞性、可靠性等性能以及內(nèi)部模組布置等因素均會(huì)對(duì)電池包性能產(chǎn)生影響胖真。理想的動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足電動(dòng)汽車各項(xiàng)性能要求下最大程度減輕自身重量沦匿。其中較為有效的方式有以下五種。

一振峻、電池包布置方式的優(yōu)化

在電池包箱體有限空間內(nèi)臼疫，一定數(shù)量電池單體通過特定機(jī)械連接和電連接組成電池模組，根據(jù)車用電池包的空間形狀與承載特點(diǎn)扣孟，電池模組串并聯(lián)排布組成動(dòng)力電池系統(tǒng)烫堤，電池包中模組布置和結(jié)構(gòu)形式差異較大。

電池單體常用類型有圓柱形凤价、方形鋁殼和軟包鋁塑膜等鸽斟，此外電池包內(nèi)部還布置有BMS控制器、高壓線束等輔助功能部件利诺。

動(dòng)力電池包的布置形式通常由整車空間特征決定富蓄，需考慮車輛驅(qū)動(dòng)方式、整車重心位置與離地間隙等因素立轧。

動(dòng)力電池包生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)整車企業(yè)需求格粪，開發(fā)出模組排布不同、電池包箱體形狀和安裝吊耳位置各異的車用動(dòng)力電池包氛改。經(jīng)過不斷研究與發(fā)展帐萎，電池包常用結(jié)構(gòu)布置形式有車身底部懸置式、車身結(jié)構(gòu)一體式和標(biāo)準(zhǔn)箱體分布式等臊癞。

車身底部懸置式

早期電動(dòng)汽車多由傳統(tǒng)燃油車改裝而成辐逝，動(dòng)力電池包通常安裝在汽車前艙、后備箱绣嫉、地板底部等位置黄惭，日產(chǎn) Leaf“凹”形電池包。車身底部懸置式電池包采用螺栓連接于汽車車架底部普计，具有設(shè)計(jì)高效靈活祟俯、生產(chǎn)制造獨(dú)立性好等優(yōu)點(diǎn)漫北，是乘用車廣泛采用的動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)形式，如日產(chǎn)Leaf五妹、眾泰云EV和吉利帝豪EV市贡。

箱體分布式

標(biāo)準(zhǔn)箱體分布式是通過幾個(gè)相同或者結(jié)構(gòu)近似的標(biāo)準(zhǔn)箱體電池包串并聯(lián)形成電池系統(tǒng)，具有布置靈活辞皇，安裝位置多樣等特點(diǎn)切果，空間較大且規(guī)整的客車或?qū)Ｓ闷嚩嗖捎迷摲N結(jié)構(gòu)形式，如宇通E10 純電動(dòng)客車符焊。

車身結(jié)構(gòu)一體式

隨著電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的需求不斷提高淘太，空間受限的傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足最優(yōu)設(shè)計(jì)要求，車身結(jié)構(gòu)一體式電池包結(jié)構(gòu)布置形式逐漸受到重視规丽，電動(dòng)汽車正向設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟使得電動(dòng)汽車專用設(shè)計(jì)平臺(tái)出現(xiàn)蒲牧，廣汽 GEB 電動(dòng)汽車專用設(shè)計(jì)平臺(tái)。

電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程需求增加和汽車正向設(shè)計(jì)技術(shù)提升促使車身設(shè)計(jì)與電池包結(jié)構(gòu)協(xié)同開發(fā)赌莺，力求車身結(jié)構(gòu)緊湊同時(shí)電池包性能較優(yōu)造成，平臺(tái)化、模塊化的車身結(jié)構(gòu)一體式動(dòng)力電池包逐漸增多雄嚣，如搭載大眾MEB平臺(tái)的奧迪Q4 e-tron晒屎、特斯拉TESLA平臺(tái)設(shè)計(jì)的Model S和Model X等車型。二缓升、電池模組的優(yōu)化

系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面下電池包輕量化設(shè)計(jì)首先從電芯參數(shù)和單體尺寸選擇開始鼓鲁，不同化學(xué)體系與尺寸參數(shù)下鋰離子動(dòng)力電芯與動(dòng)力電池系統(tǒng)存在匹配設(shè)計(jì)問題，通常需在電池系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段計(jì)算確定港谊。然后通過優(yōu)化電池包箱體內(nèi)部布置骇吭、減少設(shè)計(jì)層級(jí)，實(shí)現(xiàn)箱體空間最大利用率歧寺，例如咱取，寧德時(shí)代(CATL)提出的無(wú)模組設(shè)計(jì)技術(shù)(Cell To Pack CTP)。

CATL在該CTP設(shè)計(jì)中采用單體和電池管理系統(tǒng)直接固定在電池包殼體中阅秀，電芯內(nèi)置在上下殼體中姆歹，殼體內(nèi)部填充導(dǎo)熱膠，電芯側(cè)壁和電芯殼體間內(nèi)置壓力或者溫度傳感器京拣，兩種傳感器協(xié)同作用下能夠排查不良電芯單體虽浆，并且提前探測(cè)到電芯可能發(fā)生熱失控等安全事故。

該設(shè)計(jì)形式不采用模組結(jié)構(gòu)帜猩，使電池包體積利用率提升了15%-20%休惰；電芯單獨(dú)裝配，降低裝配難度，提高生產(chǎn)效率約 50%杜凌；同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障電芯的及時(shí)檢測(cè)與更換瘪吭，電芯殼體加強(qiáng)方案可降低電池包外殼的防護(hù)等級(jí)。

三名篷、 新型成組方式

（1）大模塊設(shè)計(jì)常枢。

將單體電芯的尺寸和容量增加，致使每個(gè)單體電芯分?jǐn)偟慕Y(jié)構(gòu)件質(zhì)量減少湖笨。例如，CATL大模組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)蹦骑，參見圖 1-7慈省，通過大模組設(shè)計(jì)取消了現(xiàn)有技術(shù)中的電池箱體，直接將電池模組通過固定件穿過支撐套筒與安裝梁安裝在整車上眠菇，實(shí)現(xiàn)電池包輕量化同時(shí)提高了電池包在整車上連接強(qiáng)度边败。

（2）一體化設(shè)計(jì)。

減少電池包模組等中間層級(jí)捎废，將單體電芯尺寸做到最佳笑窜，提高箱體空間利用率。例如登疗，比亞迪(BYD)提出的“刀片電池”電池包設(shè)計(jì)方案排截，如圖所示，通過設(shè)計(jì)出一種扁平化大尺寸電芯辐益，采用陣列排布方式布置于電池包箱體內(nèi)部断傲，單體電池就像“刀片”一樣插入到電池包中，該設(shè)計(jì)能使電池包比能量提升50%左右智政，生產(chǎn)成本降低約30%层筹。

四、輕質(zhì)材料應(yīng)用

目前鋰離子單體電芯能量密度提升緩慢清截，箱體減重設(shè)計(jì)是十分有效的電池包輕量化途徑风踪，而輕質(zhì)材料應(yīng)用對(duì)電池包箱體減重效果十分明顯。目前應(yīng)用較為成熟的輕質(zhì)材料有鋁鎂合金和復(fù)合材料兩大類弧蜒，鋁也菊、鎂、鈦合金是目前金屬材料體系中密度較小的輕質(zhì)材料砰穗。鋁合金具有重量輕装芬、回收利用、抗氧化性好新罗，是目前輕質(zhì)電池包箱體的常用材料援栗，考慮到箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，壓鑄型鋁箱與擠壓-拼焊鋁箱多用在電池包下箱體训奢，沖壓-拼焊鋁箱一般用在電池包上箱蓋帘惜。

復(fù)合材料顯著特征是重量輕瑰侥、絕緣性好及成型加工簡(jiǎn)便，各種復(fù)合材料制成的汽車零部件正在替代部分金屬零部件稳析，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩洗做、油底殼、電池包上箱蓋等彰居。

復(fù)合材料受制于原材料诚纸、生產(chǎn)成本等因素，目前電池包中應(yīng)用較多的復(fù)合材料有玻璃纖維增強(qiáng)塑料(SMC)陈惰、改性樹脂等畦徘，SMC制成的電池包上箱蓋比傳統(tǒng)金屬材料上蓋減重約為38%，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)應(yīng)用也在逐漸增多抬闯，復(fù)合材料減重效果明顯井辆。

部分企業(yè)嘗試將復(fù)合材料應(yīng)用在電動(dòng)汽車下底板，但復(fù)合材料剛度特性較差溶握，需要加厚尺寸或者采用夾層結(jié)構(gòu)來提升結(jié)構(gòu)的抗彎特性杯缺，電池包下箱體設(shè)計(jì)成夾層結(jié)構(gòu)并在中間層增加金屬或者蜂窩鋁結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)高強(qiáng)睡榆、耐撞性好等諸多優(yōu)點(diǎn)萍肆。

五、極限設(shè)計(jì)

極限設(shè)計(jì)是指在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行性能優(yōu)化或后期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)改良栽铁，極限設(shè)計(jì)需清楚設(shè)計(jì)的臨界值固荷，不僅要滿足各項(xiàng)性能要求，還需滿足零部件加工兴题、產(chǎn)品裝配工藝要求应婴。

極限設(shè)計(jì)通常借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAE)對(duì)產(chǎn)品各項(xiàng)性能臨界值和生產(chǎn)工藝參數(shù)探索，通過CAE仿真分析技術(shù)精準(zhǔn)定位噩檬，例如將電池包箱體承載部位加強(qiáng)設(shè)計(jì)林邪，而非承重部位使用薄壁材料，箱體不同位置變厚度實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計(jì)要求又盡可能減重肾轨。

多材料電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)狀

輕質(zhì)材料應(yīng)用在電池包結(jié)構(gòu)輕量化中具有較為明顯的減重效果初禁，目前動(dòng)力電池包設(shè)計(jì)中常用的輕質(zhì)材料有鎂鋁合金、復(fù)合材料和工程塑料等档徘，下表為常用輕質(zhì)材料性能參數(shù)及特點(diǎn)棘魏。

鎂鋁合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料在電池包結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中減重效果顯著宝各，但目前輕質(zhì)材料應(yīng)用在電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在以下不足：1) 結(jié)合電池包關(guān)鍵性能開發(fā)出性能和輕量化效果均優(yōu)的電池包結(jié)構(gòu)欠缺烹豫，可借鑒的研究成果、設(shè)計(jì)方法不多；2) 合適的材料用在合適的位置在電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已有初步應(yīng)用廊镜，但對(duì)電池包多材料選型方法牙肝，結(jié)合性能約束的多材料設(shè)計(jì)方法研究不足。

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