综述：新能源汽车电池系统的轻量化设计与底部安全性：以基于铝泡沫的封装材料为重点的综合性综述

《eTransportation》：Lightweight Design and Underbody Safety of New Energy Vehicle Battery Systems: A Comprehensive Review with an Emphasis on Aluminum Foam-Based Enclosures

新能源车电池系统需兼顾轻量化与底部安全，铝泡沫外壳通过高能量吸收和低密度实现双重优化。当前面临材料制造、多功能集成及标准化难题，未来需突破结构设计与热管理协同技术。

　　

张鹏|陈年奇|刘志民|陈翔

清华大学材料科学与工程学院，北京100084，中国

摘要

新能源汽车（NEVs）的大规模普及对动力电池系统的轻量化设计和结构安全性提出了更严格的要求。本文综述了近年来在NEV电池系统的轻量化设计策略和底部安全性增强方面的最新进展，重点关注基于铝泡沫的电池外壳。轻量化设计涵盖了三个主要方面：提高能量密度的电池单元级方法、轻量化外壳材料的演变以及提高体积效率（VE）的系统级集成概念。文章还强调了道路碎片撞击和底部碰撞所带来的挑战，这些是导致外壳变形、冷却液泄漏、电池单元内部短路和潜在热失控的关键失效模式。当前的底部保护解决方案，包括金属板、复合材料、吸能材料和涂层，在机械性能、抗冲击性和质量-安全性权衡方面进行了系统比较。特别关注基于铝泡沫的电池外壳，其高比能量吸收率和低密度使得同时实现轻量化和底部安全性成为可能。本文总结了铝泡沫材料、结构配置及其在电池组中的集成方面的最新发展，并分析了在可制造性、多功能性和标准化方面存在的持续挑战。最后，提出了基于铝泡沫的电池外壳的潜在研究方向和工程机遇，以支持下一代NEV电池系统的设计。

引言

世界各国正在积极应对气候变化的挑战，以实现碳中和。作为碳排放的主要来源，交通运输和能源行业正在经历快速转型，车辆电气化和电力系统的脱碳进程正在加速。汽车行业的一个重大技术转变是从混合动力电动汽车向纯电动汽车的转变，甚至向氢燃料电池汽车的示范运营[1]。2024年，全球新能源汽车（NEVs）的销量达到了1823.6万辆，其中中国 alone 占了1286.6万辆，国内市场渗透率高达40.9%，连续十年位居世界第一[2]。

尽管取得了这一显著增长，但要大规模推广NEVs，仍需解决与其相关的关键挑战。阻碍NEVs发展的主要障碍可以归类为六个方面：安全性能、续航里程、使用寿命、全气候可靠性、购买成本和能源补充的便利性。在这些挑战中，特别是在异常机械或热条件下的电池安全，尤其是热失控预防，仍然是进一步产业扩张的最关键瓶颈。

最近的事故统计数据显示，由底部撞击引发的机械滥用问题日益严重。根据中国国家市场监督管理总局缺陷产品召回技术中心在2024年世界动力电池大会上发布的公开数据[3]，截至2024年6月，共收到了1630多起涉及NEVs的火灾事故报告，实施了387次召回行动，影响了约701.7万辆车辆；其中，65次召回与动力电池相关的潜在火灾风险有关，涉及44万辆车辆。对公开记录的事故分析进一步表明，NEVs的底部受到道路碎片和固定障碍物（包括护栏、井盖、铺路砖和石块碎片）的撞击，在车辆行驶过程中占火灾相关事故的很大比例。

来自中国强制性国家标准解释说明的监管数据为底部撞击场景的普遍性和严重性提供了额外的定量证据。涵盖227个案例的售后现场调查显示，大约63%的初始撞击点位于中心区域。基于事故形态和验证测试，定义了一种代表性的测试方法，使用直径为150毫米、垂直重叠30毫米的半球形障碍物，并将车辆速度设定为35公里/小时，因为这种方法最能再现现实世界的损坏模式[4]。此外，涵盖317种车型的事故数据集显示，超过80%的底部损伤事件的凹陷直径≥30毫米，而150焦耳的撞击能量可以覆盖96%的现实世界底部碰撞场景[5]。总体而言，这些统计数据表明，刮擦（与障碍物的前端接触）和底部撞击（直接被道路碎片撞击）都是高频且对安全至关重要的操作条件，可能导致外壳变形、内部短路和随后的热失控。

为应对日益增加的安全风险，全球监管机构最近提高了多项安全要求。中华人民共和国工业和信息化部（MIIT）正式发布了中国强制性国家标准GB 38031-2025“电动汽车牵引电池安全要求”[6]，将“无火灾、无爆炸”的标准提升为强制性标准，并增加了底部撞击测试的要求。中国强制性国家标准GB 18384“电动汽车安全要求”的批准草案进一步强化了车辆级别的安全基线，要求集成维护断开装置，实现紧急关机的“一键断电”功能，并增加了全车底部保护和刮擦测试协议。包括UNECE法规第100号（03系列修正案）[7]、UN GTR第20号[8]、ISO 6469-1[9]、[10]、FMVSS第305a[11]在内的国际电动汽车和牵引电池安全监管框架正在不断修订，以应对与高压系统、热失控和机械滥用相关的新兴风险。这些监管升级预计将加速多层次热失控保护系统和更坚固的底部保护结构的发展，深刻影响未来NEVs的设计和工程路径。

与安全问题并行的是，在不增加能源消耗的情况下提高续航里程对动力电池系统提出了严格的要求，包括更高的重量和体积能量密度、轻量化结构设计以及增强的集成效率。动力电池系统是支撑NEVs差异化性能竞争力的核心组件，由能量模块、结构模块、热管理模块、电池管理模块和电气模块组成，如表1所示。它需要具备结构稳定性、碰撞保护和卓越的热管理能力。目前，动力电池仍面临与重量、性能、成本、安全、可制造性和全生命周期耐久性相关的多重挑战[12]、[13]。因此，用户期望NEVs能够提供可靠的电池安全、延长的续航里程、全气候可靠性、令人满意的充电体验、更高的残值保留率和更好的驾驶乐趣。这些期望与动力电池系统的关键性能指标密切相关（图1）。因此，动力电池系统的技术突破对于解决电动汽车的核心问题至关重要。

在主要汽车经济体中，普遍认识到克服共同技术挑战对于推进电动汽车产业的重要性。在这方面，政策和技术路线图强调了解决动力电池系统中持续存在的技术瓶颈的必要性，包括高结构强度、轻量化设计、安全性增强、成本降低和使用寿命延长。这一重点反映在一系列国家和区域政策框架中，包括中国的《新能源汽车产业发展计划（2021-2035）》[14]和《节能与新能源汽车3.0技术路线图》[15]、欧盟的《电池技术研究与创新路线图》[16]和《BATTERY 2030+》[17]、美国的《国家锂电池蓝图（2021-2030）》[18]、日本的《电池产业战略》[19]以及韩国的《2030 K-Battery发展战略》[20]。总体而言，这些路线图强调了先进电池技术在推动下一代电动汽车中的核心作用。

本文对NEV电池系统的轻量化设计和底部安全性技术的最新进展进行了集中和综合评估，特别关注基于铝泡沫的电池外壳。主要内容包括：（i）综合电池单元、外壳和电池组级别的轻量化策略进展；（ii）总结针对底部撞击的最先进机械保护方法；（iii）分析铝泡沫的结构和吸能优势；（iv）概述下一代基于铝泡沫的NEV电池外壳的关键挑战和未来研究机遇。

部分摘录

电池系统轻量化的研究进展

电池系统的轻量化在提高NEVs的续航里程和整体能源效率方面发挥着关键作用。续航里程主要由电池能量密度、热管理性能、电池管理系统（BMS）控制精度和整车能源消耗决定，其中电池系统的质量是一个关键的耦合因素。

动力电池系统约占整车重量的18%-30%[21]，而

电池系统底部安全性的最新进展

由于热失控引起的电池安全问题仍然是大规模部署NEVs必须解决的关键技术挑战[70]。在各种触发因素中，由于底盘间隙低、道路环境复杂以及监管要求日益严格，底部撞击已成为一个特别关键但尚未得到充分解决的风险途径。

为了显著降低与底部相关的安全风险，必须

铝泡沫电池外壳的挑战和新兴突破

尽管铝泡沫在电池外壳应用中展示了显著的轻量化和安全性增强潜力，但其广泛工程应用仍面临材料和系统层面的挑战。因此，本节系统回顾了铝泡沫性能优化、铝泡沫复合材料设计和铝泡沫外壳应用的最新突破，并综合讨论了剩余的技术瓶颈

结论

动力电池系统是实现NEVs性能差异化的核心组件，轻量化设计直接提升了续航里程。随着CTP和CTV技术接近体积利用极限以及电池单元能量密度的短期改进有限，轻量化电池外壳变得至关重要。NEVs的底部安全保护逐渐成为行业共识。使用高吸能材料和创新结构

作者贡献声明

陈年奇：数据整理。张鹏：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、方法论、调查、数据整理、概念化。陈翔：写作——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。刘志民：写作——审稿与编辑、监督、概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

本文描述的研究没有使用任何数据。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了内蒙古自治区科学技术合作项目（项目编号2022YFXM0008）的支持。