電池輕量化的案例
動力電池包輕量化設計技術
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 新能源汽車電池包箱體的輕量化發展
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 電池包輕量化的5種關鍵方法
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 拓撲優化動力電池輕量化箱體設計
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 
考泰斯-德事隆在中國投資輕量化電池技術 比鋼和鋁電池系統輕50%
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。”
-END-
展開 新能源汽車動力電池包結構輕量化開發方法與實踐
本文來自華南理工大學 蘭鳳崇教授在“2018中國汽車輕量化論壇”上的報告，未經本人確認。特此說明。
來源：車訊前沿
都在標榜輕量化，那汽車輕量化是否大勢所趨？
直到1994年，奧迪把鋁制車身用于A8上，令汽車輕量化技術在量產車型上得到普及。而現在，不管是豪華品牌還是合資品牌，都在使用輕量化技術。
近年來，大眾不斷為旗下朗逸、寶來、途觀等熱銷車型引入MQB平臺。而MQB平臺則是汽車輕量化技術的一個載體，里面包含了輕量化材質、結構以及工藝，令MQB平臺車型比上代車型整車減重40—60kg。雖然比起碳纖維這樣更高一級的輕量化技術，大眾MQB平臺的輕量化有點微不住道，但可知，輕量化技術在我們身邊無處不在。
此外，隨著國家不斷調整排放標準，最苛刻的國六排放標準將在2019年7月開始在重點城市提前實施國六排放標準，在2023年7月全國輕型車強制執行。而現今，無論是小型SUV還是中大型SUV，基本都是采用了鋁合金材質的發動機缸體與缸蓋來進行輕量化，但都不能應對國六排放標準。在首批達到國六排放標準的機動車的環保信息中，第一批僅三款SUV車型能達標。因此，除了不斷提升發動機技術之外，把汽車輕量化技術再往更深一步走也是有效應對途徑之一。
汽車輕量化技術不止在傳統燃油車上有著重要地位，在新能源汽車上也是如此。如今的特斯拉model S、蔚來ES8、榮威 marvel x等中高端新能源汽車無不例外是使用全鋁車身來提高續航里程。可這樣還是不夠，因為電池的質量與續航是個矛盾體。如果增加電池的量來提升續航里程，那隨著而來的重量也會影響續航里程。
以捷豹I-PACE為例，僅是電池系統的重量就高達613kg，快占普通中型SUV的整備質量的一半。與其增加電池來提升新能源汽車的續航里程，不如把輕量化技術進行到底，在新能源汽車上盡可能使用，從而增加續航里程。因此，輕量化技術在新能源汽車發展中有著重要地位。
展開 動力鋰電池如何實現低成本輕量化？這種復合材料可以實現
輕量化是全球汽車發展的潮流。
實驗證明，汽車質量降低一半，燃料消耗也會降低將近一半。2018年4月1日，《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》（雙積分政策）正式執行，以降低燃料消耗等為目標對車企提出了要求。這反向推動了新能源汽車輕量化的發展。
2019年4月12日，在由尋材問料?及新材料在線?主辦的“2019中國動力電池產業春季高峰論壇”上，北京航空航天大學教授張博明表示，玻纖增強復合材料重量輕、比強度高、耐熱耐腐蝕，很適合新能源汽車的輕量化需求。鳳凰環氧樹脂127https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/48285.html
2018年底，國家發改委正式發布《汽車產業投資管理規定》，就提到了新能源汽車領域需重點發展非金屬復合材料等輕量化材料的車身、零部件和整車。
張博明在會上介紹了連續玻纖增強復合材料，這種材料技術具備高性能、低成本、快速制造、節能環保的特點。他表示，“從航空航天的經驗來看，只有復合材料才能達到減重25%的效果，比強度和比模量都不錯。”
基于此，張博明和團隊采用玻纖增強技術制造出電池盒，上下箱體都替換成復合材料，實現減重20%。“玻纖PAP對比鋼、鋁、SMC、LFT，減重效果明顯，比碳纖維的性價比更高。”
他具體分析指出，連續玻纖增強乙烯基復合材料的強度為500Mpa，模量為30Gpa，密度為1.8g/cm3，顯著優于鋼材、鋁合金、SMC、LFT等，減重效益顯著。
在成本方面，復合材料量產制品具有突出的低成本優勢，達到30-60元/公斤，和相同體積金屬制品的制造成本相當。
此外，張博明還開發了熱塑玻纖復材的電池模組封裝固定方法，具有低成本、快速自動化，顯著降低模組重量，高強度、不導電、提高模組安全可靠性的特點。
展開 熱烈祝賀第三屆國際車輪輕量化大會成功舉辦，共話車輪輕量化智造！
接下來由中信戴卡股份有限公司工程技術研究院材料工程師李世德就中信戴卡輕量化鋁車輪研發關于先進車輪道路模擬試驗技術做了現場前沿技術報告，李工提到中信戴卡車輪輕量化從工藝提升、材料改進、設計優化三個方面入手，分別制定輕量化指標，滿足市場需求，其在車輪試驗檢測、結構和工藝等工程仿真技術方面深入研究，建立道路模擬測試以及對試驗路譜進行研究，其基于互聯網遠程控制系統的試驗設備已經應用在10個海內外制造基地。作為大陸第一家鋁合金車輪生產企業，中信戴卡也在著手展望下一代的試驗設備，將建立更完善的試驗場測試程序和中國路況損傷模型。
隨后上海ABB工程有限公司ABB機器人焊接與切割應用中心方案工程師曹召鋒就ABB柔性光學測量技術在汽車零部件行業的應用做了詳細介紹。緊接著大家開始進行激烈的圓桌討論環節，由中信微合金化技術中心博士路洪洲主持，重慶市超群工業股份有限公司，董事長助理韓志華、安徽匯泰車輪有限公司總經理韓克尚、興民智通（集團）股份有限公司技術總監王杰功、長春一汽富維汽車零部件股份有限公司車輪分公司業務主任張世江共同參與，大家就鋁輪與鋼輪輕量化的未來發展方向、基于輕量化發展訴求的鋁輪和鋼輪分別對材料的革新、OEM車輪輕量化制造工藝發展的瓶頸等方面進行了激烈的探討，在圓桌論壇的精彩討論之后，上午的會議伴隨著大家的掌聲告一段落。豐盛的午宴過后，由科技部國家高效磨削工程研究中心教授、北京博魯斯潘精密機床有限公司總經理吳行飛就智能制造成組技術在汽車輕量化輪轂制造產業中的應用做了介紹，主要介紹了在汽車輕量化輪轂制造中的一序、二序、三序粗加工以及亮面和鏡面的納米車削加工的的智能化和無人化成組技術和裝備。包括了全套技術和裝備的介紹,并介紹世界領先的納米車削技術在輪轂行業的應用。
展開 2024第十七屆國際汽車輕量化大會暨展覽會的通知|汽車輕量化
2024第十七屆國際汽車輕量化大會暨展覽會的通知|汽車輕量化
中國汽車工程學會、江蘇省科學技術協會、汽車輕量化技術創新戰略聯盟（以下簡稱“輕量化聯盟”）和揚州市人民政府將于 2024年10月9-11日 在 江蘇省揚州市 國際展覽中心舉辦 2024（第十七屆）國際汽車輕量化大會暨展覽會 （以下簡稱“大會”）
李先生編寫 152/1006/3431
主辦單位
中國汽車工程學會、江蘇省科學技術協會、汽車輕量化技術創新戰略聯盟、揚州市人民政府
協辦單位
江蘇省汽車工程學會、電動汽車產業技術創新戰略聯盟、揚州市人才辦、揚州市科學技術協會、揚州市科技局、揚州市工信局、揚州經濟技術開發區、揚州大學機械工程學院、云江（浙江）汽車技術有限公司
戰略合作單位
中信金屬股份有限公司、育材堂(蘇州)材料科技有限公司、湖北博士隆科技股份有限公司
承辦單位
國汽輕量化（江蘇）汽車技術有限公司、國汽（北京）汽車輕量化技術研究院有限公司、恒興國際會展集團有限公司、中信金屬股份有限公司（車身會議）
支持單位
中國汽車工程學會汽車材料分會、國家新能源汽車技術創新中心、溫州（瑞安）智能汽車零部件工程師協同創新中心、日本汽車復合材料學會、上海汽車工程學會、安徽省汽車工程學會、河南省汽車工程學會、黑龍江汽車工程學會、陜西省汽車工程學會
支持媒體
光明網、中國汽車報、汽車工程、汽車之友、汽車工藝與材料、中國汽車材料網等
展開 【報告6121】特斯拉Model3整車輕量化技術分析（14頁可下載）
Model 3輕量化策略
（1）輕量化路線
Model 3的輕量化由電池包開始，拓展到車身、底盤、電子電器等各個方面，電池減重是其重點。
輕量化路線明確以高性能、高度集成、高輕量化的電池包為主來實現整車減重的目標，并通過高強度的車身進行保護，輔助電器、底盤的輕量化，最終取得了整車較高的輕量化水平，同時平衡了碰撞性能、成本及各方面。雖然從白車身輕量化系數上看車身的輕量化率較低，但其在電池包上進行了突破，使得整車輕量化指數達到理想狀態。
電池包：高集成、高性能、高輕量化；
車身：高強度、輕量化、低成本；
電器：高集成、輕量化；
底盤、裝飾件：低輕量化；
取得想要的結果：較好的輕量化、較高的性能、卓越的碰撞、較低的成本。
圖7 Model 3輕量化路線圖
（2）輕量化措施
Model 3的輕量化主要從布置優化、結構優化、新材料、新工藝四個方面實施，具體見下圖所示。
圖8 Model 3輕量化措施分布圖
4.
展開 
2025北京汽車輕量化展|2025北京·雅森汽車展
★ 特別設立：“雙碳”技術與場景應用展區；零碳園區、零碳工廠、低碳節能科技、碳中和相關服務商、數字制造技術、無人智能生產車間、工業4.0與5G智能工廠整體解決方案；
◆車用材料與碳中和技術；
◆輕量化基礎原材料及輕合金制品等；
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◆其他相關單位：汽車工程服務、汽車測試與質量控制、汽車管路系統、汽車尾氣凈化與污染治理、汽車電子產品、汽車清洗設備、汽車維修診斷、汽車服務用品等；科研院所、結構設計、行業組織、創新專利技術（合作）、第三方檢測與認證機構、媒體網站、其他輕量化解決方案服務商等。
注：展位類型及收費標準請咨詢組委會索取。
★ 組委會聯系方式：
2025北京汽車輕量化招展部
聯系人：鄭先生137-6176-6572（微信添加，北京汽車輕量化展）
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展開 新能源汽車碳纖維復合材料車門輕量化設計
以復合材料車門質量最小化為目標函數，靜態性能為約束條件，進行了自由尺寸優化、尺寸優化、鋪層順序優化。對優化結果規整后進行性能驗證。結果表明，獲得的優化方案在滿足性能要求的前提下，實現了車門減重48.3%，完成了車門的輕量化設計。
關鍵詞：新能源;碳纖維復合材料;HyperWorks;拓撲優化;輕量化;
0 引言
汽車輕量化是在保證其基本的使用性能、安全性和其成本控制要求的前提下，從結構、材料、工藝等方面，應用新設計、新材料、新技術來實現對汽車整體的減重，以完成汽車向“低能耗”、“低排放”的轉變。材料輕量化是實現車身輕量化設計的主流方向之一。作為車身的關鍵部件之一，車門需要保證足夠的剛度、強度，從而使整車具有良好的安全、振動噪聲和耐久性能。碳纖維增強復合材料以其優異的綜合性能、高比強度和比模量和靈活的可設計性在眾多新型輕量化材料中脫穎而出。碳纖維增強復合材料的密度僅為鋼材密度的20%，鋁合金密度的60%，其應用可以使車身減輕30%～60%[1]，其質量僅為鋼的1/4，強度則是鐵的10倍[2]，是一種理想的輕量化替換材料。陳靜等[3]的研究表明，結構優化后的碳纖維材料電池箱在質量減少的同時，提高了剛度和模態頻率；陳偉[4]將碳纖維材料引入汽車B柱支撐板，在確保碰撞性能的情況下減重55%。商業領域中，碳纖維材料已經大量應用在寶馬、奧迪等量產車型的車身結構中[5]；薛嬌[6]基于傳統金屬材料的汽車B柱，使用等代設計的方法將原有的金屬材料替換成碳纖維復合材料，并在有限元軟件中進行仿真分析。結果表明，碳纖維復合材料的汽車B柱相較于原版的B柱擁有更好的力學性能，其質量減輕了40%;Belingardi等[7]為了能將復合材料利用到保險杠的加工制造中，用數值仿真技術進行了驗證，結果表明，在吸收相同撞擊力和承受相同載荷的情況下，碳纖維復合材料制成的保險杠總體質量更低。
展開 汽車輕量化：何以輕，以何輕？
圖3 各國歷年油耗計劃
在不影響汽車性能的情況下降低油耗的方法主要有以下三種：（1）提升內燃機熱效率；（2）降低汽車行駛過程中的風阻；（3）車身輕量化。
渦輪增壓技術大幅提高了內燃機效率，但越接近卡諾定律所規定熱效率極限，尋求技術上的突破也就越困難，短期難有能夠大幅提升內燃機燃燒效率的技術革新。一輛汽車以80km/h的速度行駛時，約有60%的阻力源于風阻，所以每個車型面世前都要經過工程師數百次修改設計和上千小時的風洞試驗，空氣動力學性能幾乎被壓榨到了極限。而進入到21世紀以來，新材料不斷面世和材料加工成型工藝的發展使得汽車輕量化成為了可能。
據有關研究，一般情況下車重每減輕1kg，則1L的汽油可以使汽車多行駛0.011km。于此同時，汽車減重不僅減少了油耗，也減少了二氧化碳排放量，車重如能減少一半，二氧化碳排放量就能減少13%。同時也減少了如氮化物、硫化物等其他有害物質的排放量。
圖4 油耗與汽車質量 圖5 排放量與汽車質量
以何輕
量產車輕量化的前提是建立在汽車的整體品質、性能和造價不變甚至優化的基礎之上的，所以即使減配可以有效減輕車重并提高車輛性能，也不能作為汽車輕量化的有效手段，而是要通過材料、工藝和結構的重新設計，來實現整車減重的目標。
設計能力提升和制造工藝進步
汽車不同部位在行駛過程中的受力和安全要求不同，工程師針對不同部位進行鋼材差異化的選擇，在力學性能要求高的部位選用高強度鋼，而非加厚板材，在其他部位選用成本較低的鋼材起到基本的結構和覆蓋功能。這樣即有效控制了成本，又減輕了車重。現在汽車生產用鋼通常被分為5-6個等級，不同等級的搭配使用能使白車身減重25%，而白車身又占據了整車質量的1/4，僅僅該部分的優化潛力就可達上百公斤。
展開 電驅動系統集成化、小型化、輕量化發展趨勢及實現路徑
1、電驅動系統小型化、輕量化、集成化漸成趨勢
隨著新能源電動汽車市場越來越活躍，關于電動汽車電驅動系統的一體化研究開始步入工程師的視野，通過將驅動電機、逆變器，減速器三個部件一體化、集成化，可以實現輕量化、高效、小型化，同時降低成本，在一定程度上解放空間、利于整車布置。而將驅動系統安裝在車輪內的輪轂電機，更是進一步推進了電驅動系統的小型化和輕量化，雖然還處在產業化的前夜。
在電驅動技術集成方面，初步的有“二合一”（電機集成減速器）方案；進階方案則是“三合一”（電控+電機+減速器）方案，是目前研究的主要方向。
綜合來看，目前大多數企業只能做到“二合一”的電驅動總成方案，但預計未來幾年內，三合一電驅動總成方案將成為主流。
而從長遠來看，電機、減速器、電機控制器、高壓分線盒、DC/DC、DC/AC、充電機等零部件都會集成為一個大的動力總成：“多合一”，即將電機+減速器、電機控制器、充電機、直流變換器、高壓分線盒、部分整車控制器等都集成到一起，代表車型是寶馬i3。
2、電驅系統集成化的必要性分析
隨著新能源汽車技術的不斷發展，零部件集成化設計已經成為必然趨勢。通過集成化設計，一方面可以簡化主機廠的裝配，提高產品合格率；另一方面可以大規模縮減供應商數量，還可以達到輕量化、節約成本等目的。
電驅動系統的集成化設計不僅可以實現驅動系統的小型化和輕量化以降低成本，還可以提高效率：如果將驅動電機與逆變器集成一體，逆變器配置在驅動電機旁，連接電機與逆變器的線束就可以縮短或者置換，由此，不僅減小了機構的尺寸和重量，還降低了線束產生的能量損耗。
如博世，GKN Driveline，三菱電機和舍弗勒。不僅實現了逆變器與電機之間的連接配線縮短，尺寸更小，還降低了連接部位的電力損耗，提升了驅動系統效率。
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