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电池PACK壳体及托盘的轻量化技术
Date: 2024/1/4 10:42:16
随着动力电池技术线路的不断发展,电池壳成形技术在材料、形状、制造工艺等方面出现了不同的发展路径。为了探讨电池壳成形技术的突破,促进规格和接口尺寸的统一,融入数字化平台,便于集约化生产,打造我国在电池壳成形技术方面的领先地位,恒进展览在3月宁德举办的第五届宁德国际新能源电池与智造技术产业大会期间举行“电池壳体成型与智造技术论坛”。
论坛将以电池壳体设计生产加工制造、装配技术为主题,重点关注设计、铸造、焊接、拧紧装配、测试、整线规划等热点核心工艺和装备技术及发展趋势,探讨新工艺带来的行业变革趋势。
同期大会包括1场全体大会及7场主题专场,预计将吸引来自380+汽车主机厂及电池生产厂家的研发、生产工程技术人员,200+一二级原始设备供应商2500+核心决策人注册参会。
动力电池系统是电动车的核心驱动力。它由电池模块,电气系统,热管理系统,电池管理系统,壳体等零件组成。壳体的主要作用是承载和保护电池模块,需要满足强度,刚度,碰撞安全等机械要求。
一般认为纯电动汽车重量降低10%,续航里程便可增加约6%。电池包系统重量占整车20%以上,成本占整车高达30%-60%,新能源汽车较传统汽车更需要轻量化。在动力电池系统中,电池壳占系统总重量约 20-30%,是主要结构件,因此在保证电池系统功能安全和车辆整体安 全的前提下,电池壳的轻量化已经成为电池系统主要改进目标之一。电池壳轻量化技术包括新材料,新工艺和新设计(壳体和热管理系统集成,车身集成设计)。
下面简单介绍一些知名主机厂和电池供应商的电池系统轻量化进展。
新材料
钢板,铝板,挤压铝,压铸铝,玻纤复材,SMC复材,碳纤复材都有应用。
1、钢制壳体
Nissan Leaf采用钢制壳体,主要工艺是钢板冲压和点焊连接。钢制壳体能够提供高强度和刚度,工艺简单,是车身制造领域最传统最成熟的工艺。
2、铝制壳体
铝板+压铸铝
铸铝的电池托盘箱体一体性较好,避免了钢制或挤出型材的焊接、密封、漏水、腐蚀等问题。混动版 Cadillac CT6 和 Audi Q7 e-tron均采用了铝合金壳体。两个车型的电池下壳体采用压铸铝合金,上壳体(盖板)采用铝板冲压件。铝合金压铸下壳体采用一次成型工艺,工艺简单,能够提供较好的强度、刚度和密封性能。铝合金上壳体主要起密封作用,采用铝板冲压件降低重量。受压铸机设备吨位限制,铝压铸壳体尺寸较小,一般常用于混动车型动力电池系统。
铝板+挤压铝
铝合金框架和铝板结构电池壳结构设计灵活,减重明显且工艺较成熟,挤压铝的框架能够提供高刚度和高强度,铝板冲压件密封。特斯拉Model S,蔚来 ES8、大众 MEB等项目电池壳均采用了铝合金框架和铝板结构。
宁德时代CATL首次将航空级别的“7系铝”运用至电池包下箱体。“7系铝”常被用于制造飞机起落架,具备轻盈、坚固、安全等特性。7系铝应用也具有很多风险,特别是应力腐蚀现象。为此,他们通过上百项的实验及相关工艺改善。配备“7系铝”下箱体的动力电池拥有以下优势:车载动力电池系统能量提高50%;整车重量可在现有基础上减重250公斤,使该车型标准工况续驶里程提高到600公里以上。下图是宁德时代产品路线图。
3、混材
钢铝混合
特斯拉Model3电池上盖是0.8毫米的钢板,地板是3.2毫米的铝板。
塑料+铝板
世界最大电动车厂商比亚迪使用了上板塑和下板铝作为电池壳体,以提升电池包的能量密度,增加了续航能力。以其秦Pro EV500为例,相比上一代秦EV车型,电池包减重157kg,系统能量密度提升至160.9Wh/kg。据比亚迪官方数据,秦Pro EV500的工况续航里程420公里,最大续航里程达500公里。
吉利帝豪EV450和广汽传祺GE3 530等车型,采用的就是上壳体SMC轻量化材料,以及下壳体高强度铝来进行封装。后者电池系统能量密度为160Wh/kg,已经处在主流水平。
4、碳纤维复材
蔚来ES6的碳纤维增强型复材(CFRP)电池外壳比传统的铝或钢制电池外壳轻40%,具有高刚性,而且比铝的热导率低200倍。
5、其他材料
电池壳可以考虑用热成形钢做电池壳体,在碰撞中需避免电池包的侵入及避免着火爆炸等风险.但目前还未见有在汽车上大批量应用。
电池壳还可以采用泡沫铝等材质来制造,但目前还未见有在汽车上大批量应用。
新工艺
电池系统的制造工艺,包括电池单体的封装、电池模组的排布、热管理电器系统的设计等装配工艺;还包括电池单体、电池包箱体的连接工艺等方方面面。
特斯拉Model 3将原来的18650改成了21700,电池的能量密度约提升20%(250→300Wh/kg),增大了单体的尺寸,进而使整包轻量化。
新设计
通过CAD/CAE/CAM一体化技术对电池壳进行分析和优化,实现零部件的精简、整体化和轻量化,已成为电池壳开发中主要的设计方法。电池包箱体轻量化设计方法主要有拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化等。在箱体前期设计过程中即概念设计阶段一般采用拓扑、形貌和自由尺寸的优化手段;在结构设计后期,对具体的技术要求,需要详细设计时更多的采用尺寸优化、形状和自由形状优化技术,以达到具体的设计要求。
特斯拉将所有的电控单元整合到pack中,交流电充电器和DC-DC转换器被集成为一个更小和更轻的单元模组,高度整合导致Model 3的总布线长度大幅减少。
结论:
(1)铝制电池壳是目前电动车主流;
(2)混材电池壳是趋势。不同部位用不同材料,以达到性能和成本的最优解;
(3)集成化设计是趋势。
当然,受制于成本因素,铝合金在各个车型上应用,也不尽相同。
由此可见,尽管铝合金轻量化发展应用趋势是清晰和明朗的,但是成本因素仍在制约着它大踏步向前发展。这反倒有利于低成本的高强钢,具体表现为应用回潮。
不仅如此,做到电池模组和承载的托盘浑然一体,也不是一件容易的事。经得起振动实验的考验,也是检验设计结果的最好办法。在实验进行中,经常会碰到内框架与托盘焊接的开裂、内框架支撑梁体开裂。
挤压铝拼焊框架结构比较多见,也是比较灵活的一种结构。通过不同铝型材的拼焊、加工,可以满足各种能量大小的需求。同时,易于修改设计,易于调整所用材料。
从成本的角度,较之压铸铝托盘,挤压铝拼焊框架结构占有一定的优势。当然,随着量产数量的不同,这种成本优势是否存在,也不一定。
框架结构是托盘的一种结构形式,在前期 “三+6”一文中,曾经详细作过描述。框架结构更有利于轻量化,更利于不同结构的强度保证。
铝电池托盘结构形式,也沿袭了框架结构设计形式:外框体主要完成电池整个系统的承载功能;内框体主要完成对模组、水冷板等子模块的承载功能;在内外框体的中间防护面,主要完成电池组与外界的隔离、防护,例如,沙砾冲击、防水、隔热等等。
下图为Audi 的框架结构示意。每一层结构,承载了不同的功能。
小结
文章来源:泊松比
EV Battery Housing Design & Manufacturing Expo 2024 上海电池壳体设计与制造装备展是AMTS 2024主题展之一,将于2024年7月3-5日在上海新国际博览中心举办。
展会依托于上海国际汽车制造技术与装备及材料展览会(AMTS)在汽车研发、设计、制造前端市场20年的人气和产业资源积累,紧跟市场行业发展及市场需求,汇聚全球顶尖的电池壳体设计生产企业,电池壳体制造装备生产商、一二级供应商,通过一站式展览展示最新的电池壳体材料、制造工艺与装备、电池壳体创新设计方案与产品。为电池壳体产业与电池生厂及电池PACK集成厂家研发与制造工程技术人员提供一站式商贸及交流平台。
展示范围包含:电池壳体产品(电芯壳体、电池上壳体、电池托盘);电池壳体材料(复核材料、高强度钢、铝合金材料);开发设计技术与装备(CAE仿真技术、3D打印设备);壳体成型工艺与装备(压铸设备、挤压成型设备、机加设备、检测设备、清洗设备);连接工艺与装备(焊接设备、FDS设备、涂胶设备);动化产线系统集成解决方案。
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