新能源电池包壳体工艺及选材解析

1.新能源电池包简介

a.电池包是新能源汽车的核心能量源，为整车提供驱动电能，它主要通过壳体包络构成电池包主体。

b.模块化的结构设计实现了电芯的集成；通过热管理设计与仿真优化电池包热管理性能；电气部件及线束实现了控制系统对电池的安全保护及连接路径；通过BMS实现对电芯的管理，以及与整车的通讯及信息交换。

c.电池包组成主要包括电芯、模块、热管理系统、BMS、电气系统和箱体。

2.电池包设计流程

动力电池系统设计要以满足整车的动力要求和其他设计为前提，同时考虑电池系统自身的内部结构和安全及管理设计等方面，设计流程如下：

3. 电池包的设计原则和要求

a.电池包壳体的设计要求

电池包壳体作为电池模块的承载体，对电池模块的安全工作和防护起着关键作用。其外观设计主要从材质、表面防腐蚀、绝缘处理产品标识等方面进行。

要满足强度刚度要求和电气设备外壳防护等级IP67设计要求，并且提供碰撞保护线束走向合理、美观且固定可靠。

b.《QC/T989-2014电动汽车用动力蓄电池箱通用要求》标准要求如下

1）一般要求

具有维护的方便性。

在车辆发生碰撞或电池发生自燃等意外情况下，宜考虑防止烟火、液体、气体等进入车厢的结构或防护措施。

电池箱应留有铭牌与安全标志布置位置，给保险动力线、采集线、各种传感元件的安装留有足够的空间和固定基础。

所有无级基本绝缘的连接件、端子、电触头应采取加强防护。在连接件、端子电触头接合后应符合GB4208-2008防护等级为3的要求。

2）外观与尺寸

外表面无明显划伤、变形等缺陷，表面涂镀层均匀。

零件紧固可靠，无锈蚀、毛刺、裂纹等缺陷和损伤。

3）机械强度

耐振动强度和耐冲击强度，在试验后不应有机械损坏、变形和紧固部位的松动现象，锁止装置不应受到损坏。

采取锁止装置固定的蓄电池箱，锁止装置应可靠，具有防误操作措施

4）安全要求

在试验后，蓄电池箱防护等级不低于IP55。

人员触电防护应符合相关要求。

在完成整个动力电池系统的设计后，制作好的动力电池系统必须经过台架性能测试，验证是否符合设计要求，再经过装车试验，对系统进行改进和完善。相关行业标准如下:

4.电池包壳体的选材

1)钢制壳体

钢制电池包壳体是最原始的动力电池包壳体材料，一般采用钢板焊接而成。

强度高，刚性高，质量重。表面需要进行防腐处理，使其在长期高温条件下仍具有较好的防腐效果。

2）铝合金壳体

汽车动力电池包采用铝合金材料具有易加工成形高温耐腐蚀性、良好的传热性和导电性的特点。

铝合金的铝动力电池壳体(除壳盖外)可一次拉伸成形，相对于不锈钢壳，可以省去盒底焊接工艺，在进行焊接时就不会出现因为金属元素烧损而导致焊缝质量下降等问题。

铝合金壳体优点:

a.使用寿命长: 铝合金壳体经过模拟老化试验表明其使用寿命在20年以上，远远超过了金属等传统材料。

b.阻燃、无烟、无毒:铝合金材料的阻燃性等级可达 FV0，在高温灼烧下发烟量级别达15级，烟气无毒，毒性级别为ZA1(准安全一级)。

c.防爆性能: 动力电池铝壳盖板上特别设有防爆装制，在电芯内部压力过大的情况下防爆装制会自动打开泄压，以防止出现爆炸的现象。

d.抗老化性能:在非金属材料中，铝有着优秀的抗老化性能。经过抗老化性能测试表明，使用地点不同，所处气候带不同，其表面最大老化厚度为20年小于50um。大多数箱体的最小厚度为5mm，小于箱体厚度的1%，因此对箱体的机械性能没有明显的影响。

3）SMC复合材料

一直以来，电动汽车动力电池包外壳都采用易于成型的金属箱体。随着汽车的轻量化发展，以及热固性塑料成型技术的开发新型塑料及复合材料开始逐渐被用作电池包壳体材料。

热固性塑料电池包外壳可承载重达340公斤的电池，自重35公斤，比金属箱体的重量约轻35%。热固性电池箱体能够承受十倍重力加速度的撞击。

SMC复合材料，即片状模塑料。主要原料由GF(专用纱)、UP(不饱和树脂)低收缩添加剂，MD(填料)及各种助剂组成。

SMC材料与传统金属材料相比，有以下几个优点:

a.高比强度，高比模量。SMC比重为1.7-1.9g/cm3，代替金属材料有明显的减重效果;

b.SMC制品的可设计性强，通过优化结构可整体成型，减少二次装配热膨胀系数低，尺寸稳定;

c.耐腐蚀，SMC的耐电解液、耐酸、耐碱性比金属材料如钢、铝要好的多永不会生锈。

d.减震性好，耐冲击，共振小;

e.绝缘性能优于金属材料;

f.阻燃性能可以达到V0级。

4)碳纤增强复合材料碳纤维复合材料壳体的出色表现

a.耐冲击性好:车辆在发生正面碰撞、侧面碰撞及后碰撞过程中对电池包壳体可能造成破坏，碳纤维的高强度能抵御外界的强大冲击，避免机械损坏、变形和紧固部位的松动现象。

b.密封性好:碳纤维从材料的物理化学性能稳定，可设计性强，能一体成型密封性好。

c.减重:碳纤维的密度仅有1.7g/cm3，几乎只有铝的二分之一，可实现轻量化。

碳纤维材料与金属材料的性能对比:

a.碳纤维密度约为1.7g/cm3，拉伸强度3000MPa，弹性模量230GPa，质轻高强，耐高温，耐摩擦，抗震，热膨胀系数低。

b.钢材的密度为7.85g/cm3，抗拉强度300-600MPa，弹性模量190GPa比热容0.42KJ/(KG.K)，热膨胀系数10.6-12.2*10-/C，其密度比碳纤维高出许多，抗拉强度也不如碳纤维。

c.铝密度约为2.7g/cm3，抗拉强度110-136MPa，重量虽然比钢轻，但强度也较低，安全性能稍差。

近年来，新能源汽车市场发展迅速。电池包作为新能源汽车的核心动力部件具有重要的作用。随着汽车轻量化发展，电池包壳体材料也从原来的钢制材料逐渐向轻质材料转变。传统钢制电池包壳体质量重，不利于汽车的轻量化发展。新型铝合金、SMC复合材料、玻纤及碳纤增强复合材料可在满足性能要求的前提下有效地实现电池壳体的轻量化。

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