電池輕量化
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-03
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摘要：
在整車電量一定的情況下，電動汽車的續航里程一直是用戶重點關注的參數之一，而電動汽車用電池包作為三電系統中的核心部件，其輕量化的設計直接影響整車的續航里程。實現動力電池包輕量化設計主要有兩種途徑：提高單體電芯的能量密度，優化電池包結構設計，本文主要是針對第二種方式進行闡述輕量化設計的相關技術研究。
新能源汽車對輕量化設計更加敏感，直接影響到終端用戶的體驗度和滿意度。電動汽車電池包的輕量化研究是新能源汽車輕量化的主要研究內容之一，實現動力電池包的輕量化主要有兩種途徑：一是提高單體電芯質量能量密度，二是優化電池包結構設計和新材料的選型。
1 動力電池包輕量化設計思路
動力電池包的主要組成部分就是電池及相關結構輔件，目前單體電芯大多數為鋰離子電池，其主要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜、銅箔等組成，動力電池包對電芯進行相關的串并聯組合方式實現不同的電壓和能量，過重的電池包對整車續航能力影響極大。
展開 作者： 司福建 時紅海 吳中旺 劉暢 賴興華
清華大學蘇州汽車研究院
隨著世界能源危機和環境污染問題日益嚴重，汽車輕量化越來越受到人們的重視。輕量化對汽車節能減排的效果直接而顯著，試驗證明，對于傳統燃油汽車，汽車整備質量每減輕10%，可降低油耗6%～8%，排放下降3%～4%；對于新能源純電動汽車，汽車整備質量每減少10%，電耗下降5.5%，續航里程增加5.5%。同時汽車質量的降低可減小汽車制動距離，提高安全性能。所以，無論是對傳統燃油汽車，還是對新能源汽車，汽車輕量化研究均具有重要意義。
輕量化并非簡單地將整備質量減輕，而是在保證強度和安全性能的前提下盡可能地降低整備質量并保證制造成本在合理范圍內，以實現安全性和經濟性的兼顧統一。電池包箱體作為動力電池的承載和防護機構，在電池包系統中占據重要位置，而且其整備質量目前偏大，具有較大的輕量化空間，同時政策對于電池包能量密度的要求逐步提高，使得電池包箱體輕量化發展具有很強的緊迫性。
針對輕量化過程中引入的新材料和新結構連接需求，本文對電池包箱體輕量化的發展及新型連接技術的應用進行綜述，旨在對輕量化設計和制造提供有益借鑒。
電池包箱體的輕量化發展
傳統電池包箱體一般采用低碳鋼鈑金和焊接工藝加工而成，成本較低但箱體質量較大，嚴重影響電池包系統能量密度的提高和新能源汽車的輕量化，不符合發展趨勢，需要進行輕量化改進。目前針對電池包箱體輕量化的主要手段為輕量化材料應用和輕量化結構設計。
輕量化材料的應用
電池箱輕量化材料應用主要包括鋁合金材料、高強鋼材料和復合材料的應用等，目前鋁合金替代傳統低碳鋼在電池箱上得到了大范圍的應用，鋁合金箱體成為電池箱體發展的一個重要方向。
鋁是最常用的金屬材料之一，同時也是地殼中分布最廣、儲存量最多的元素之一，占地殼質量的8.13%。
展開 讓更多人了解汽車行業的細節
動力電池包是電動汽車核心零部件之一，電池包重量約占整車總重20-30%，也是整車生產中成本占比最高的部件之一。
眾所周知，電池包對于安全性的要求非常之嚴苛，同時也決定了整車在功率和續航里程上的表現。
想要提升性能，車身整體的重量也至關重要。其中重量占到將近三分之一的電池包輕量化問題也成為了關鍵。
電池包為什么要輕量化？
研究數據表明，傳統燃油汽車減重10%，經濟性可提升6-8%；
而等速行駛工況下，電動汽車自重降低10%，可使整車增加10%左右的續駛里程。
那么如何提升續航里程呢？
從電池包的角度來看，由于電芯材料組分和尺寸上的限制較大，所以想要減重就只能從結構上下手，箱體輕量化和模組緊湊化成為了當下新能源車企研究的重點方向。
如何實現電池包輕量化？
電池包的輕量化大致可以分為兩大層面——系統設計層面和詳細設計層面。
展開 Keys: Topology optimization; power battery pack;light weight design; modal analysis; OptiStruct
0前言
動力電池是電動汽車關鍵重要部件，是電動汽車能量儲藏的載體。目前動力電池系統重量整車占比30%以上，而整車重量與動力性、經濟性等指標密切相關，最終影響電動汽車的續航里程。增加電動汽車續航里程，提高整車輕量化水平是非常重要的方向[1]；作為整車的一部分，電池系統在增加電池能量及基礎上進行輕量化處理，是延長電動汽車續航里程的重要舉措。整車及動力電池箱體設計早期多采用普通鋼材設計，以得到更好的結構耐久及防撞性能；隨著節能環保概念深入人心，高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料等的應用在汽車行業應用范圍越來越高[2]。隨著電池系統設計技術發展，在保證一定振動疲勞及安全性能的基礎上進行輕量化設計成為技術發展主要方向，鋁合金在電池箱體設計中的應用引起廣泛重視。
拓撲優化（topologyoptimization）是基于既定負載、約束和目標，在設計區域內對空間材料分布進行優化的一種數學方法。1904年Michell在桁架理論中首次提出了拓撲優化的概念，基于CAE仿真技術發展越來越多應用于汽車設計過程中，國內外學者使用該優化技術對客車車身骨架、汽車吸能結構等進行研究，取得較好輕量化成果[3-6]。動力電池箱體作為承載電池單體或模組的機械結構，具有保護內部結構免受沖擊碰撞破壞、保證電池系統正常運行的重要作用；但同時箱體本身并不是能量儲藏部件，需要盡量輕量化以降低電池系統的重量。使用拓撲優化技術可為電池箱體輕量化設計提供設計方向指導，對電池系統設計非常重要。
展開 最近，該公司收購了一條包括5500噸壓力機（press）在內的直接長纖維熱塑性成型生產線，用于生產其最新的汽車創新產品——Pentatonic創新電池系統。
（圖片來源：kautex）
Pentatonic是一種輕型、可定制電池系統，適用于混合動力和純電動汽車。該系統用熱塑性復合材料或混合式復合金屬材料制成，比起鋼或鋁電池系統要輕50%。
通過一站式生產工藝，可以將結構和熱管理組件直接集成至塑料殼體中，從而簡化材料清單，并減少對額外制造步驟的需求。與鋼和鋁系統相比，二次操作(如焊接和鉚接)更少，從而縮短了周期，同時提供更好的密封性。
新平湖生產線的客戶抽樣活動，預計將于2022年第二季度開始。
Pentatonic產品開發總監Felix Haas表示：“我們準備在中國設計和生產電池系統，增加這條新生產線，是其中的關鍵一步。我們在中國的投資是對公司戰略的明確承諾，即成為新興電動汽車行業的強大參與者。”
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輕量化浪潮下的技術風口
在 AR/VR、車載成像、消費電子等領域對 “輕、薄、高清” 的極致需求驅動下，超表面成像技術正從實驗室走向產業化，成為顛覆傳統光學的核心路徑。但超表面設計 “跨尺度難、算力成本高、設計閉環斷裂” 等痛點，嚴重制約技術落地。
超表面是由亞波長（小于工作波長）微納結構單元周期性 / 非周期性排布的二維人工光學器件，厚度僅為傳統透鏡的
增長動力主要來自三方面：
新興產業倒逼：折疊屏手機、可穿戴設備量產，要求屏幕與鉸鏈通過20-50 萬次彎折測試；新能源汽車爆發，帶動線束、電池極片、輕量化構件的彎折檢測需求激增。
標準體系升級：GB/T、ISO 等國內外測試標準趨嚴，強制要求關鍵材料與零部件通過彎折疲勞測試，合規成本上升推動企業主動采購高端設備。
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隨著聚變技術的不斷發展，小型化、緊湊型托卡馬克裝置逐步興起，這類裝置具有體積小、成本低、部署靈活等優勢，適用于科研實驗、小型示范等場景，同時也對聚變電源提出了輕量化、集成化的新需求。相較于大型托卡馬克裝置的電源系統，小型化聚變裝置的電源需在更小的體積內實現高功率、高精度輸出，具備集成度高、重量輕、便于安裝等特點。
為適配小型化聚變裝置的需求，國內企業逐步推進聚變電源的輕量化與集成化研發
OAS軟件提供輕量化解決方案2個月前
緊湊型望遠鏡案例分析
簡介
緊湊型望遠鏡作為便攜觀測類光學核心設備，以反射鏡緊湊排布實現光路折疊與像差校正，在壓縮體積的同時保障望遠成像效果，是便攜觀測、安防偵察及消費級觀景設備的關鍵組件，其光學結構的合理性直接決定成像分辨率、視場范圍與設備便攜性，需嚴格滿足輕量化與高成像的雙重設計標準。本項目基于 OAS 光學軟件，通過光機一體化建模、多維度像差校正與雜散光優化，構建高性能緊湊型望遠鏡光學方案
主論壇將聚焦智能網聯汽車、人工智能、先進動力電池、汽車輕量化與新材料等核心議題，邀請 20% 以上國際嘉賓，匯聚全球行業頂尖專家與頭部企業領袖共話技術趨勢。
仿真+AI技術為快消包裝行業賦能提速、降本增效、推動可持續發展。
“
輕量化設計不僅關乎成本削減，更在于放大環保影響力。每減少一克材料，都能節省樹脂用量、減少廢棄物產生，且隨著貨架上數百萬件產品的規模化效應，成效將十分顯著。而 PhysicsAI 讓我們能夠以前所未有的速度實現這些成果。
—— Kinetic Vision 開發總監
Shane
<p class="ql-align-justify">*本文投稿自工程機械制造行業用戶張俊</p><p><br></p><p><br></p><p>車架是起重機三大結構件之一，其剛度、強度性能對起重機的吊載性能、可靠性、安全性有著至關重要的作用。大量研究表面，汽車燃油消耗的50%是由整車重量引起的，整車重量每降低10%，燃油經濟性可提高3.8%。輕量化設計是指在保證其基本性能的情況下，盡可能提高材料利用率
AUTO TECH China 2026 第十三屆廣州國際汽車輕量化技術及車用材料展覽會
The 13th International Automotive Materials and Lightweight Technology Expo
AUTO TECH China 第十三屆國際汽車輕量化技術及車用材料展覽會是關于各種先進汽車材料及汽車輕量化的解決方案，如金屬材料
