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摘要:动力电芯是电池包中第一大的组成部分，在当前电芯正极材料没有技术性突破的情况下，研究动力电芯电芯结构件轻量化技术对于电动车具有提高电池包重量、体积能量密度以及降低成本的优势。本文从动力电芯结构优化、顶盖材料轻量化，电芯结构简量化三个方面展开论述，并认为在保证电芯安全性能的前提下，电芯简量化是未来轻量化发展的重要趋势。
关键词：动力电芯 ;轻量化技术 ;结构优化
引言
新能源近几年发展，随着国家政策的调整，补贴逐渐退坡，2021年财政部等四部委联合发布《关于2022年新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》表示，2022年新能源汽车标准在2021年的基础上退坡30%[1]2011款福瑞迪汽车音响改装套装。但新推出的补贴方案对于电池能量密度更高、续航性能更佳、耗能更低的车给与更多补贴[2]，引导电池芯厂提高电芯重量能量密度。而提高电池重量能量密度的一个方向就是电芯结构轻量化，降低电芯结构件的重量的同时，也降低电芯的BOM成
本。《中国制造2025》中指出节能与新能源汽车作为未来的发展领域之一，国家将继续推进汽车轻量化、低碳化、智能化等核心技术的发展，推动我国新能源汽车与国际先进水平接轨[3]。在《节能与新能源汽车技术路线2.0》指出到2035年纯电动汽车轻量化系数降至35%[4]，综上所述，随着全球能源危机的加剧和环保意识的提高，电动汽车已成为未来交通出行的重要发展方向。作为电动汽车的核心部件，动力电芯的结构件轻量化对于提高整车的能效、降低成本以及增加续航里程具有重要意义，研究轻量化已经成为新能源汽车中一项关键性研究课题。
1动力电芯结构概述
动力电池系统中，重量最大的为电芯本体，在新能源电动车中，电芯本体结构件轻量化成为近来的研究热点之一。而轻量化的前提是必须保证电芯本体结构的强度性能及安全性能，通过最优设计方法，尽最大的可能在重量与安全方面寻求平衡。
动力电芯按形状可分为圆柱电芯和方形电芯，从这些年电芯结构件的发展历程来看，无论是圆柱电芯还是方形电芯，从整体结构上划分，电芯结构件可分为顶盖与铝壳，顶盖又可以分为极柱、端子压块、上塑胶、密封圈、光铝片，下塑胶等结构件。这些结构件中材料
为金属的是铝壳、光铝片、极柱、端子压块，占电芯结构件重量的90%以上，上塑胶、密封件圈、下塑胶等材料为非金属件，在电芯的重量占比中10%不到。
2动力电芯轻量化方向及意义
目前电芯轻量化设计主要方向有：结构优化、材料轻量化、结构件数量少量化等。动力电芯结构件轻量化意义在于：
（1）能够显著提高电动汽车的性能和能效，轻量化设计可以减少车辆的整备质量，从而提高加速性能和制动性能；
（2）轻量化也有助于提高车辆的能量密度，从而增加续航里程； （3）轻量化设计还有利于减少车辆行驶过程中的振动和噪音，提高舒适性。
2.1结构优化
2.1.1顶盖结构优化
方形电芯顶盖通常由光铝片、正极端子、正极极柱、正极上塑胶、负极端子、负极极柱、
负极上塑胶、密封圈、下塑胶组成，主要的重量占比为金属件，如光铝片、端子、极柱，而降低顶盖的重量的方向为降低这些金属件的厚度，如某项目顶盖光铝片厚度为2.0mm，为降低重量，将此项目顶盖的光铝片厚度降低为1.5mm，厚度降低的同时，光铝片的结构强度也会随之降低，为了提高结构强度，会在光铝片生产过程冲压一个凸包结构，重量不改变的同时增加了结构的强度，同时CAE仿真也验证此方案的可行性，此方案光铝片的重量可降低25.0%。
微型车价格而端子、极柱的尺寸降低也可以降低顶盖的重量，但降低的同时需要保证结构的强度及加工可行性。
2.1.2铝壳结构优化
当前铝壳成型的方式有拉伸、挤压以及弯折焊接等工艺，拉伸或挤压成型的铝壳结构一般只有一个开口，而弯折焊接成型的铝壳结构有两个开口。电芯铝壳结构的优化方向为降低铝壳壳体壁厚，如采用挤压或拉伸成型工艺的铝壳壁厚为0.5mm左右，而采用弯折焊接工艺成型工艺的比亚迪刀片电芯铝壳壁厚可做到0.3mm，比亚迪此方案成型的铝壳重量可降低40%以上。
2.2顶盖材料优化
顶盖材料优化有两个方向，一个是光铝片的材料优化，一个是负极极柱材料的优化。如某公司公开顶盖专利其光铝片材料不使用金属铝，而是使用非金属塑料材料，塑料材料密度低，但是强度相对于铝来说比较低，电芯应用场景会受限，然而光铝片使用塑料材料也是顶盖轻量化一个途径。
赤峰北山车管所负极极柱的材料目前选择的是金属铜或者是摩擦焊形成的铜铝复合棒，铜铝复合棒与金属铜相比重量会小，然而摩擦焊会出现铜铝结合处失效的风险，导致电芯失效。因此采用铜铝复合板的金属材料，一方面该复合板铜的比例极限可做到10%左右，极大的降低了极柱的重量，复合板重量能降低60%左右，一方面经过数据测试，铜铝复合板的剥离力能达到120N/mm，剪切强度能达到60MPa。
2.3铝壳材料优化
在动力电芯结构件轻量化过程中，材料选择与优化至关重要。铝壳可以通过减少铝壳的壁厚来降低铝壳的重量，但也会带来另外一个问题，铝壳的强度不高，对整个电芯来说安
全度也不高，这是不可取的。因此可以选择高强度的不锈钢，高强度钢具有较高的强度和硬度，适用于承受较大载荷的结构件。或者选择高强度复合材料，复合材料具有各向异性和可设计性，适用于需要特定力学性能的结构件。在选择材料时，还需考虑材料的加工工艺性和成本等因素，以实现最佳的轻量化效果。
2.4结构件简量化
结构件简量化是指结构件的构成组件少量化，有两个方向，对于电芯层级来说，一个方向就是正极输出端与铝壳集成化，铝壳作为正极输出，这样设计的顶盖结构数量少了正极端子、正极极柱、正极上塑胶、密封圈等结构件，如特某圆柱电芯采用的是正极输出端与铝壳集成化。广本飞度
对于Pack层级来说，电芯结构件数量少量化也是一个轻量化的方向，增大电芯的尺寸，如比亚迪刀片电芯，长度1000mm左右，将电芯组装在Pack有限的空间中，相对应来换算，所有的电芯结构件重量相对尺寸小的电芯结构件重量也会降低不少。
3结论
电芯结构件轻量化有着非常重要的意义，但电芯结构件轻量化带来了一些挑战，如材料强度和安全问题、制造成本等。为了解决这些问题，可以采取以下方案：
（1） 材料强度和安全问题：选择高强度材料和优化材料组合，以提高结构件的强度和寿命。同时，可以采用防腐、耐磨等表面处理技术，提高结构件的耐腐蚀性和耐磨性。保证强度的同时，提高电芯的安全性。
（2） 制造成本问题：通过优化设计，减少加工时间和材料浪费，提高材料利用率，降低制造成本。同时，可以采用高效的制造工艺，提高生产效率，降低生产成本。
（3）质量控制问题：建立严格的质量控制体系，确保每个环节的制造质量稳定可靠。同时，可以采用先进的无损检测技术，对结构件进行全面的质量检测。
总之，电芯结构件轻量化对于新能源汽车的轻量化至关重要，通过结构优化、材料优化以及结构件简量化可以实现电芯结构件轻量化，但同时也需要通过仿真软件对优化后的电芯结构进行仿真以及实际电芯产品验证，产品轻量化的同时需要保证电芯产品的安全性能及可制造性。相对于前两个方向，电芯结构简量化是未来电芯轻量化发展的重要趋势。
参考文献
[1]张良.电动汽车动力电池模组散热结构设计与仿真优化[D].湖南大学,2019.
[2]陈元.车用动力电池包多材料结构优化与轻量化设计[D].华南理工大学,2020.
[3]周华晨.电动汽车电池包结构设计[D].东北林业大学,2020.
[4]史明明.电动汽车动力电池箱体轻量化设计和优化研究[D].北京理工大学,2018.
[5]马鹏程.纯电动物流车电池液冷热管理结构优化[D].合肥工业大学,2017
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