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知識 | 電池托盤輕量化，鋁或高強鋼要“因材施教”

2022-02-14 09:31:29 來源：網(wǎng)絡(luò)

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簡介：新能源汽車動力電池，因自身重量缺陷和能量密度需求矛盾，在整車零件子系統(tǒng)中，輕量化需求顯得尤為迫切。

新能源汽車動力電池，因自身重量缺陷和能量密度需求矛盾，在整車零件子系統(tǒng)中，輕量化需求顯得尤為迫切。
在動力電池中，托盤占去了電池系統(tǒng)重量的20~30%，實為主要結(jié)構(gòu)件。因此在保證電池功能安全前提下，托盤的輕量化就成為電池結(jié)構(gòu)件主要改進目標之一。
從材料綜合指標評估來看，鋁合金材質(zhì)，首先能滿足車輛零部件包括電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需求，仍然是替代部分鋼結(jié)構(gòu)的材料。
不過，高強鋼板自身也在走輕量化技術(shù)道路。因此，鋁合金材質(zhì)和輕量化高強鋼板在材料選用的道路上一直呈現(xiàn)出膠著前行的狀態(tài)。
膠著前行的鋁和鋼
由于順應(yīng)了產(chǎn)品的節(jié)能、環(huán)保、輕量化發(fā)展趨勢，鋁一般都是企業(yè)實現(xiàn)輕量化的主要方案。但是輕量化并非是車企選材時的唯一考量因素，成本亦是。
毋庸置疑，鋁輕量化效果明顯，因而在未來也將得到越來越廣泛的應(yīng)用。鋁合金雖然成本偏高，但是其優(yōu)異的可加工性、低密度（鋁合金的密度為2.7g/cm）、耐腐蝕性、高可回收循環(huán)利用等特性，優(yōu)勢明顯，仍然是實現(xiàn)電動化的新能源汽車輕量化進程的重要標志。
達克全球咨詢對北美車均鋁用量進行了調(diào)研和預(yù)測，它們發(fā)現(xiàn)從1996年以來，鋁在車輛中應(yīng)用呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢，且自2012年開始出現(xiàn)攀升態(tài)勢。2015年時車用鋁含量已經(jīng)達到400磅/輛（約合181kg/輛），到2020年則超過450磅/輛（約合204kg/輛），到2028年突破550磅/輛（約合249kg/輛）
當然，受制于成本因素，鋁合金在各個車型上應(yīng)用，也不盡相同。
早期的特斯拉,應(yīng)該是輕量化應(yīng)用的激進者。初時，Model S從車身到電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu),鋁材料占比均很大。因為，Model S當時的消費群體定位，是針對豪華客戶。
特斯拉Model S是鋁含量高的車型。
但其他大眾化車型選用材料中分量高的卻是享有成本優(yōu)勢的高強鋼。例如日產(chǎn)Leaf、大眾高爾夫、豐田普銳斯，它們更傾向于在高強鋼板和異形鋼下功夫。
由此可見，盡管鋁合金輕量化發(fā)展應(yīng)用趨勢是清晰和明朗的，但是成本因素仍在制約著它大踏步向前發(fā)展。這反倒有利于低成本的高強鋼，具體表現(xiàn)為應(yīng)用回潮。
特斯拉不全是技術(shù)的瘋狂者，考慮成本因素，調(diào)整鋁用量也是合理的技術(shù)行為。在Model 3設(shè)計中，設(shè)計思路一改前期的“激進”“豪華”，車身架構(gòu)采用鋼鋁混合金屬材質(zhì)，降低了鋁的應(yīng)用占比。
就連名噪遠播的大眾MEB平臺的設(shè)計者們，也表明要選低成本的鋼板，并且表示新能源車輛不僅僅是“富有階層的時尚”。
其實，一種材料不可能完全替代另外一種材料。任何一種材料，不管是從成本角度、性能角度，都是各有所長，并行發(fā)展的。只能說，一種材料，在某一方面，能更好的符合技術(shù)或市場發(fā)展需要而已。
鋁材料在新能源的應(yīng)用，主體還是輕量化需求、節(jié)能需求。目前，以40KWh的電池系統(tǒng)為例,如果采用鋼材結(jié)構(gòu),其成本可以控制在1千元以內(nèi)；如果采用鋁型材拼焊殼體結(jié)構(gòu),在3~5千元之間。成本比例，鋁合金仍然是鋼板材質(zhì)的3~5倍。
鋁在新能源的推廣應(yīng)用中，成本因素，仍然是一只攔路虎。但是，這不妨礙技術(shù)的進步和發(fā)展。
但我們需要明晰的是，在現(xiàn)階段，鋼、鋁特性差異帶來的設(shè)計差異有哪些呢？
電池托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計更需“因材施教”
鋼、鋁材質(zhì)在強度、抗疲勞、彈性模量、抗拉、抗壓、抗剪、抗彎等特性參數(shù)方面，存在非常大的差異。采用金屬合金技術(shù)，確實在某些方面，例如強度特性方面，較純鋁，獲得非常顯著的提升。但是，單一特性的強化，并不代表本質(zhì)特性轉(zhuǎn)移和完全變化。尤其在車輛工程中，動、靜態(tài)載荷下，特性差異，表現(xiàn)的更加明顯。
所以說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，盡管功能是完全相同的零件，鋁合金結(jié)構(gòu)也不能等同于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。
長期以來，國內(nèi)新能源車輛并非正向設(shè)計。車身結(jié)構(gòu)或平臺，都是從燃油車過渡而來。車身結(jié)構(gòu)，并沒有做太多適應(yīng)性改動和設(shè)計，這個時候的設(shè)計，電池托盤與車身固定位置和形式，也只能順勢而為。
但是，隨著新能源市場放大和普及，電池系統(tǒng)的功能安全越來越被重視，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，無法滿足新的功能需求。
對于前期生產(chǎn)的新能源產(chǎn)品，在客戶使用過程中，產(chǎn)品吊耳開裂、IP失效、內(nèi)部模組結(jié)構(gòu)失效帶來電性能失效等等故障，托盤吊耳位置結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理，都是直接或間接的主要原因之一。
電池本體的密度非常高，做為承載電池模組的電池托盤或殼體，一直是處在重載荷狀態(tài)之中。鋁的疲勞性能只有鋼的一半，彈性模量僅有鋼的三分之一。
如果托盤吊耳承載超限，或不同吊耳受力差值大、不均勻，面對車輛復(fù)雜的路況，動態(tài)性能更加惡劣。鋁材質(zhì)在高振動、高應(yīng)力集中狀態(tài)下，更容易出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，導(dǎo)致開裂、變形。
所以說，托盤在吊耳位置、內(nèi)框架梁結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)開裂等故障現(xiàn)象，甚至模組固定點脫落現(xiàn)象，也就不足為奇了。
托盤的鋁制吊耳固定點應(yīng)數(shù)量多，而且布置均勻。
不僅如此，做到電池模組和承載的托盤渾然一體，也不是一件容易的事。經(jīng)得起振動實驗的考驗，也是檢驗設(shè)計結(jié)果的好辦法。在實驗進行中，經(jīng)常會碰到內(nèi)框架與托盤焊接的開裂、內(nèi)框架支撐梁體開裂。
開裂原因初步分析：
從材料特性分析，故障點應(yīng)力超過了材料本身所能承載應(yīng)力或應(yīng)力集中。
從工藝角度，材料焊接時，導(dǎo)致的燒損，改變或削弱了材料的參數(shù)特性。
從結(jié)構(gòu)角度，開裂的支撐梁是否和內(nèi)框架結(jié)構(gòu)是一個整體。整體結(jié)構(gòu)，更有利于應(yīng)力分散和應(yīng)力均勻、振動頻率一致。
Audi的電池托盤設(shè)計，就是很好的案例。黃色箭頭是受力的狀態(tài)，內(nèi)部通過均勻的框架，讓應(yīng)力得到合理的釋放，同時與外部框架吊耳孔對應(yīng)，讓內(nèi)外結(jié)構(gòu)渾然一體。同時，也能抵御來自外部碰撞的破壞。
托盤設(shè)計靈魂：鋁外框架梁強度設(shè)計
前面提到托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)外渾然一體，外框架設(shè)計也是非常重要的。
從材料特性參數(shù)角度，鋁的屈服強度和抗拉強度均低于鋼。
鋁及其合金的屈服強度和拉伸強度分別為30-500 N/sq mm和79-570 N/sq mm。鋼的屈服強度和抗拉強度，分別在250-1000 N/sq mm和400-1250 N/sq mm范圍內(nèi)。
關(guān)系到托盤吊耳位置或結(jié)構(gòu)設(shè)計，就必須考慮這個因素。
同時，鋁的彈性模量比鋼差，這個特性也是非常重要的，關(guān)系到結(jié)構(gòu)的材質(zhì)的疲勞或壽命。
車用鋁合金應(yīng)用主要包括5×××系（Al-Mg系）6×××系（Al-Mg-Si系）等等。據(jù)了解，鋁托盤主要采用6系鋁型材（材質(zhì)的應(yīng)用，還需進一步分析和摸索）。
電池鋁托盤常用的幾種結(jié)構(gòu)類型
鋁電池托盤，因為其重量輕，熔點低特點，一般有幾種形式：壓鑄鋁托盤、擠壓鋁合金框架和鋁板拼焊托盤（殼體）、模壓上蓋。
壓鑄鋁托盤結(jié)構(gòu)特征更多表現(xiàn)為一次壓鑄成型，減少了托盤結(jié)構(gòu)焊接帶來的材料燒損和強度問題，整體強度特性更好。
這種結(jié)構(gòu)的托盤，框架結(jié)構(gòu)特點不明顯，但是，整體強度可以滿足電池承截要求。常見于小能量電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
擠壓鋁拼焊框架結(jié)構(gòu)比較多見，也是比較靈活的一種結(jié)構(gòu)。通過不同鋁型材的拼焊、加工，可以滿足各種能量大小的需求。同時，易于修改設(shè)計，易于調(diào)整所用材料。
從成本的角度，較之壓鑄鋁托盤，擠壓鋁拼焊框架結(jié)構(gòu)占有一定的優(yōu)勢。當然，隨著量產(chǎn)數(shù)量的不同，這種成本優(yōu)勢是否存在，也不一定。
框架結(jié)構(gòu)是托盤的一種結(jié)構(gòu)形式，在前期“三+6”一文中，曾經(jīng)詳細作過描述。框架結(jié)構(gòu)更有利于輕量化，更利于不同結(jié)構(gòu)的強度保證。
鋁電池托盤結(jié)構(gòu)形式，也沿襲了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計形式：外框體主要完成電池整個系統(tǒng)的承載功能；內(nèi)框體主要完成對模組、水冷板等子模塊的承載功能；在內(nèi)外框體的中間防護面，主要完成電池組與外界的隔離、防護，例如，沙礫沖擊、防水、隔熱等等。
小結(jié)
鋁作為車輛輕量化的重要材料，必須立足全球市場，長期關(guān)注其可持續(xù)性發(fā)展。同時，也要正確看待鋼、鋁在車輛應(yīng)用中的成本因素和技術(shù)進步的區(qū)別。
鋁在設(shè)計中的正確應(yīng)用，需要對材質(zhì)特性的更深的理解。特別是針對重載荷的電池托盤應(yīng)用，還需要不斷摸索，做到心中有數(shù)，不斷積累應(yīng)用經(jīng)驗，才能在輕量化的應(yīng)用中游刃有余，不斷進步。