邱健蓄电池新能源汽车电池系统的轻量化设计与底部安全性：基于泡沫铝封装结构的综合评述

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与结构安全性提出了更为严苛的要求。本文综述了NEV电池系统轻量化策略与底部安全强化技术的最新进展，重点探讨泡沫铝材质电池包的应用。轻量化设计涵盖三大维度：提升能量密度的电芯层级方案、轻量化包体材料的演进历程，以及提高体积利用率(VE)的系统级集成理念。该综述同时强调了路面杂物撞击与底盘碰撞带来的挑战，这些关键失效模式会导致电池箱变形、冷却液泄漏、电芯内部短路及潜在热失控。研究系统比较了当前底盘防护方案（包括金属板材、复合结构、吸能材料与防护涂层）在力学行为、抗冲击性及质量-安全Trade方面的性能差异。研究特别关注泡沫铝基电池箱体，其高比能量吸收与低密度的特性可同步实现轻量化与底盘安全性的提升。本文总结了泡沫铝材料及其结构构型在电池包集成应用中的最新进展，进而分析了其在可制造性、Multi功能化与标准化方面持续存在的挑战。最后，本文提出了泡沫铝电池包壳体的潜在研究方向与工程应用机遇，以支持新一代新能源汽车电池系统的设计。

引言

世界各国正在积极应对气候变化的挑战，以实现碳中和目标。作为碳排放的主要来源，交通运输与能源部门正经历快速转型，车辆电气化与电力系统脱碳进程加速推进。汽车行业的一项重大技术变革是动力系统从混合动力汽车向纯电动汽车转型，甚至已进入氢燃料电池汽车的示范运营阶段[1]。2024年全球新能源汽车(NEVs)销量达到18.236亿辆，其中仅中国市场就贡献1286.6万辆，国内市场渗透率高达40.9%，连续十年蝉联全球第一[2]。
尽管新能源汽车产业取得了显著增长，但解决其关键挑战是实现大规模推广的前提条件。阻碍新能源汽车发展的主要壁垒可归纳为六大方面：安全性能、续航里程、使用寿命、全气候可靠性、购置成本以及能源补充便利性。其中，电池安全——特别是在异常机械或热条件下防止热失控——仍是制约产业进一步扩展包的最关键瓶颈。
近期事故统计数据凸显了由底盘撞击引发的机械滥用问题日益突出。根据国家市场监督管理总局缺陷产品召回技术中心在2024世界动力电池大会上公布的公开数据[3]，截至2024年6月，共收到超过1630起新能源汽车火灾事故报告，实施召回动作387次，涉及车辆约701.7万辆；其中65次召回归因于动力电池潜在火灾风险，涉及0。44万辆。对公开记录事故的进一步分析表明，新能源汽车底盘在行驶过程中遭遇道路杂物（包括护栏、井盖、铺路砖石等固定障碍物）的撞击，构成了车辆行驶期间火灾事故的重要诱因。
来自中国强制性国家标准注释的监管数据，为底部撞击场景的普遍性与严重性提供了补充性量化证据。覆盖227个案例的售后实地调查表明，约63%的初始撞击点集中于中央区域。根据事故形态与验证试验结果，确定采用直径150毫米的半球形屏障与30毫米垂直重叠量的典型测试方法，并将车速设定为35公里/小时，因其最能复现实际损伤模式[4]。此外，涵盖317款车型的数据集表明，超过80%的底盘损伤事件涉及≥30毫米的凹陷直径，而150焦耳的冲击能量可覆盖96%的实际底盘碰撞场景[5]。综合这些统计数据表明，刮擦（前缘与障碍物接触）和托底（路面异物直接撞击）均构成高频次且安全关键的操作工况，并可能引发电池包壳体变形、内部短路及后续热失控。
为应对日益增长的安全风险，全球监管机构近期提高了多项安全标准要求。中华人民共和国工业和信息化部（MIIT）正式发布中国强制性国家标准GB 38031-2025《电动汽车用动力蓄电池安全要求》[6]，将"不起火、不爆炸"标准提升为强制性要求，并新增底部碰撞测试条款。中国强制性国家标准GB 18384《电动汽车安全要求》批准草案通过强制要求集成维修断开装置、设置物理"一键断电"紧急关机功能，以及增加整车底部防护与刮擦测试规程，进一步强化了车辆级安全基线。国际电动汽车及动力电池安全监管框架，包括UNECE第100号法规（03系列修正案）[7]、联合国全球技术法规第20号[8]、ISO 6469-1[9][10]和FMVSS第305a项[11]，正持续修订以应对高压系统、热失控及机械滥用场景下的新兴风险。这些法规升级预计将加速多层级热失控防护系统和更坚固底部防护结构的研发，深刻影响未来新能源汽车的设计与工程路径。
在关注安全性的同时，如何在能耗不增加的前提下提升续航里程，对动力电池系统提出了严苛要求——需要实现更高的质量能量密度与体积能量密度、轻量化结构设计以及集成效率提升。作为支撑新能源汽车差异化性能竞争力的核心部件，动力电池系统由能量模块、结构模块、热管理模块、电池管理模块和电气模块构成（如表1所示）。动力电池需具备结构稳定性、碰撞防护与卓越的热管理性能。目前，动力电池在重量、性能、成本、安全性、制造工艺性及全生命周期耐久性方面仍面临多重挑战[12][13]。因此，用户对新能源汽车的期望包括：可靠的电池安全性、更长的续航里程、全气候工况可靠性、良好的充电体验值、更高的残值保留率以及更优的驾驶乐趣，这些需求与动力电池系统的关键性能指标密切相关（图1）。由此可见，动力电池系统的技术突破是解决电动汽车核心痛点的根本途径。
在主要汽车经济体间，普遍认识到克服共性技术挑战对推动电动汽车产业发展具有关键意义。在此背景下，政策与技术路线图均着重强调解决动力电池系统存在的持续性技术瓶颈，包括高结构强度、轻量化设计、安全性提升、成本降低及使用寿命延长等问题。这一焦点体现在中国等主要经济体制定的一系列国家与地区政策框架中新能源汽车产业发展规划（2021–2035年）[14]和节能与新能源汽车技术路线图3.0[15]，欧盟电池技术研究与创新路线图[16] 和BATTERY 2030+[17]，美国《国家锂电池蓝图（2021–2030）》[18]，日本Battery Industry Strategy [19] 以及韩国的2030年K-Battery发展策略[20]. 总体而言，这些路线图凸显了先进电池技术在实现下一代电动汽车中的核心作用。
本综述聚焦于新能源汽车电池系统轻量化设计与底部防护技术的最新进展，重点评述了基于泡沫铝材料的电池包壳体技术。主要内容包括：(1)系统梳理电芯级、壳体级与电池包级的轻量化策略研究进展；(2)归纳针对底部冲击的机械防护前沿技术方案；(3)解析泡沫铝材料在结构设计与能量吸收方面的优势特性；(4)阐明下一代泡沫铝基新能源汽车电池包关键技术挑战与未来研究方向。