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知识 | 电池托盘轻量化，铝或高强钢要“因材施教”

2022-02-14 09:31:29 来源：网络

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简介：新能源汽车动力电池，因自身重量缺陷和能量密度需求矛盾，在整车零件子系统中，轻量化需求显得尤为迫切。

新能源汽车动力电池，因自身重量缺陷和能量密度需求矛盾，在整车零件子系统中，轻量化需求显得尤为迫切。
在动力电池中，托盘占去了电池系统重量的20~30%，实为主要结构件。因此在保证电池功能安全前提下，托盘的轻量化就成为电池结构件主要改进目标之一。
从材料综合指标评估来看，铝合金材质，首先能满足车辆零部件包括电池系统结构需求，仍然是替代部分钢结构的材料。
不过，高强钢板自身也在走轻量化技术道路。因此，铝合金材质和轻量化高强钢板在材料选用的道路上一直呈现出胶着前行的状态。
胶着前行的铝和钢
由于顺应了产品的节能、环保、轻量化发展趋势，铝一般都是企业实现轻量化的主要方案。但是轻量化并非是车企选材时的唯一考量因素，成本亦是。
毋庸置疑，铝轻量化效果明显，因而在未来也将得到越来越广泛的应用。铝合金虽然成本偏高，但是其优异的可加工性、低密度（铝合金的密度为2.7g/cm）、耐腐蚀性、高可回收循环利用等特性，优势明显，仍然是实现电动化的新能源汽车轻量化进程的重要标志。
达克全球咨询对北美车均铝用量进行了调研和预测，它们发现从1996年以来，铝在车辆中应用呈现出逐年增长的趋势，且自2012年开始出现攀升态势。2015年时车用铝含量已经达到400磅/辆（约合181kg/辆），到2020年则超过450磅/辆（约合204kg/辆），到2028年突破550磅/辆（约合249kg/辆）
当然，受制于成本因素，铝合金在各个车型上应用，也不尽相同。
早期的特斯拉,应该是轻量化应用的激进者。初时，Model S从车身到电池系统结构,铝材料占比均很大。因为，Model S当时的消费群体定位，是针对豪华客户。
特斯拉Model S是铝含量高的车型。
但其他大众化车型选用材料中分量高的却是享有成本优势的高强钢。例如日产Leaf、大众高尔夫、丰田普锐斯，它们更倾向于在高强钢板和异形钢下功夫。
由此可见，尽管铝合金轻量化发展应用趋势是清晰和明朗的，但是成本因素仍在制约着它大踏步向前发展。这反倒有利于低成本的高强钢，具体表现为应用回潮。
特斯拉不全是技术的疯狂者，考虑成本因素，调整铝用量也是合理的技术行为。在Model 3设计中，设计思路一改前期的“激进”“豪华”，车身架构采用钢铝混合金属材质，降低了铝的应用占比。
就连名噪远播的大众MEB平台的设计者们，也表明要选低成本的钢板，并且表示新能源车辆不仅仅是“富有阶层的时尚”。
其实，一种材料不可能完全替代另外一种材料。任何一种材料，不管是从成本角度、性能角度，都是各有所长，并行发展的。只能说，一种材料，在某一方面，能更好的符合技术或市场发展需要而已。
铝材料在新能源的应用，主体还是轻量化需求、节能需求。目前，以40KWh的电池系统为例,如果采用钢材结构,其成本可以控制在1千元以内；如果采用铝型材拼焊壳体结构,在3~5千元之间。成本比例，铝合金仍然是钢板材质的3~5倍。
铝在新能源的推广应用中，成本因素，仍然是一只拦路虎。但是，这不妨碍技术的进步和发展。
但我们需要明晰的是，在现阶段，钢、铝特性差异带来的设计差异有哪些呢？
电池托盘结构设计更需“因材施教”
钢、铝材质在强度、抗疲劳、弹性模量、抗拉、抗压、抗剪、抗弯等特性参数方面，存在非常大的差异。采用金属合金技术，确实在某些方面，例如强度特性方面，较纯铝，获得非常显著的提升。但是，单一特性的强化，并不代表本质特性转移和完全变化。尤其在车辆工程中，动、静态载荷下，特性差异，表现的更加明显。
所以说，在结构设计中，尽管功能是完全相同的零件，铝合金结构也不能等同于钢结构设计。
长期以来，国内新能源车辆并非正向设计。车身结构或平台，都是从燃油车过渡而来。车身结构，并没有做太多适应性改动和设计，这个时候的设计，电池托盘与车身固定位置和形式，也只能顺势而为。
但是，随着新能源市场放大和普及，电池系统的功能安全越来越被重视，这种结构设计，无法满足新的功能需求。
对于前期生产的新能源产品，在客户使用过程中，产品吊耳开裂、IP失效、内部模组结构失效带来电性能失效等等故障，托盘吊耳位置结构设计的不合理，都是直接或间接的主要原因之一。
电池本体的密度非常高，做为承载电池模组的电池托盘或壳体，一直是处在重载荷状态之中。铝的疲劳性能只有钢的一半，弹性模量仅有钢的三分之一。
如果托盘吊耳承载超限，或不同吊耳受力差值大、不均匀，面对车辆复杂的路况，动态性能更加恶劣。铝材质在高振动、高应力集中状态下，更容易出现疲劳状态，导致开裂、变形。
所以说，托盘在吊耳位置、内框架梁结构，出现开裂等故障现象，甚至模组固定点脱落现象，也就不足为奇了。
托盘的铝制吊耳固定点应数量多，而且布置均匀。
不仅如此，做到电池模组和承载的托盘浑然一体，也不是一件容易的事。经得起振动实验的考验，也是检验设计结果的好办法。在实验进行中，经常会碰到内框架与托盘焊接的开裂、内框架支撑梁体开裂。
开裂原因初步分析：
从材料特性分析，故障点应力超过了材料本身所能承载应力或应力集中。
从工艺角度，材料焊接时，导致的烧损，改变或削弱了材料的参数特性。
从结构角度，开裂的支撑梁是否和内框架结构是一个整体。整体结构，更有利于应力分散和应力均匀、振动频率一致。
Audi的电池托盘设计，就是很好的案例。黄色箭头是受力的状态，内部通过均匀的框架，让应力得到合理的释放，同时与外部框架吊耳孔对应，让内外结构浑然一体。同时，也能抵御来自外部碰撞的破坏。
托盘设计灵魂：铝外框架梁强度设计
前面提到托盘结构设计的内外浑然一体，外框架设计也是非常重要的。
从材料特性参数角度，铝的屈服强度和抗拉强度均低于钢。
铝及其合金的屈服强度和拉伸强度分别为30-500 N/sq mm和79-570 N/sq mm。钢的屈服强度和抗拉强度，分别在250-1000 N/sq mm和400-1250 N/sq mm范围内。
关系到托盘吊耳位置或结构设计，就必须考虑这个因素。
同时，铝的弹性模量比钢差，这个特性也是非常重要的，关系到结构的材质的疲劳或寿命。
车用铝合金应用主要包括5×××系（Al-Mg系）6×××系（Al-Mg-Si系）等等。据了解，铝托盘主要采用6系铝型材（材质的应用，还需进一步分析和摸索）。
电池铝托盘常用的几种结构类型
铝电池托盘，因为其重量轻，熔点低特点，一般有几种形式：压铸铝托盘、挤压铝合金框架和铝板拼焊托盘（壳体）、模压上盖。
压铸铝托盘结构特征更多表现为一次压铸成型，减少了托盘结构焊接带来的材料烧损和强度问题，整体强度特性更好。
这种结构的托盘，框架结构特点不明显，但是，整体强度可以满足电池承截要求。常见于小能量电池系统结构。
挤压铝拼焊框架结构比较多见，也是比较灵活的一种结构。通过不同铝型材的拼焊、加工，可以满足各种能量大小的需求。同时，易于修改设计，易于调整所用材料。
从成本的角度，较之压铸铝托盘，挤压铝拼焊框架结构占有一定的优势。当然，随着量产数量的不同，这种成本优势是否存在，也不一定。
框架结构是托盘的一种结构形式，在前期“三+6”一文中，曾经详细作过描述。框架结构更有利于轻量化，更利于不同结构的强度保证。
铝电池托盘结构形式，也沿袭了框架结构设计形式：外框体主要完成电池整个系统的承载功能；内框体主要完成对模组、水冷板等子模块的承载功能；在内外框体的中间防护面，主要完成电池组与外界的隔离、防护，例如，沙砾冲击、防水、隔热等等。
小结
铝作为车辆轻量化的重要材料，必须立足全球市场，长期关注其可持续性发展。同时，也要正确看待钢、铝在车辆应用中的成本因素和技术进步的区别。
铝在设计中的正确应用，需要对材质特性的更深的理解。特别是针对重载荷的电池托盘应用，还需要不断摸索，做到心中有数，不断积累应用经验，才能在轻量化的应用中游刃有余，不断进步。