中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：新能源汽車(chē)動(dòng)力電池，因自身重量缺陷和能量密度需求矛盾，在整車(chē)零件子系統(tǒng)中，輕量化需求顯得尤為迫切。
在動(dòng)力電池中，托盤(pán)占去了電池系統(tǒng)重量的20~30%，實(shí)為主要結(jié)構(gòu)件。因此在保證電池功能安全前提下，托盤(pán)的輕量化就成為電池結(jié)構(gòu)件主要改進(jìn)目標(biāo)之一。
從材料綜合指標(biāo)評(píng)估來(lái)看，鋁合金材質(zhì)，首先能滿(mǎn)足車(chē)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)的首選材料。
不過(guò)，高強(qiáng)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(qiáng)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(shì)，鋁一般都是企業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的主要方案。但是輕量化并非是車(chē)企選材時(shí)的唯一考量因素，成本亦是。
毋庸置疑，鋁輕量化效果最明顯，因而在未來(lái)也將得到越來(lái)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(shì)明顯，仍然是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化的新能源汽車(chē)輕量化進(jìn)程的重要標(biāo)志。
達(dá)克全球咨詢(xún)對(duì)北美車(chē)均鋁用量進(jìn)行了調(diào)研和預(yù)測(cè)，它們發(fā)現(xiàn)從1996年以來(lái)，鋁在車(chē)輛中應(yīng)用呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且自2012年開(kāi)始出現(xiàn)攀升態(tài)勢(shì)。2015年時(shí)車(chē)用鋁含量已經(jīng)達(dá)到400磅/輛（約合181kg/輛），到2020年則超過(guò)450磅/輛（約合204kg/輛），到2028年突破550磅/輛（約合249kg/輛）
當(dāng)然，受制于成本因素，鋁合金在各個(gè)車(chē)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(jìn)者。初時(shí)，Model S從車(chē)身到電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 鋁材料占比均很大。因?yàn)椋琈odel S 當(dāng)時(shí)的消費(fèi)群體定位，是針對(duì)豪華客戶(hù)。
下圖是各種金屬材料在全球知名整車(chē)產(chǎn)品應(yīng)用中所占的比例。黃色部分代表鋁的應(yīng)用狀態(tài)。特斯拉Model S是鋁含量最高的車(chē)型。
但其他大眾化車(chē)型選用材料中分量最高的卻是享有成本優(yōu)勢(shì)的高強(qiáng)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(qiáng)鋼板和異形鋼下功夫。
由此可見(jiàn)，盡管鋁合金輕量化發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)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(qiáng)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(jì)中，設(shè)計(jì)思路一改前期的“激進(jìn)”“豪華”，車(chē)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(yuǎn)播的大眾MEB平臺(tái)的設(shè)計(jì)者們，也表明要首選低成本的鋼板，并且表示新能源車(chē)輛不僅僅是“富有階層的時(shí)尚”。
其實(shí)，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(zhǎng)，并行發(fā)展的。只能說(shuō)，一種材料，在某一方面，能更好的符合技術(shù)或市場(chǎng)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?xún)?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(jìn)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(lái)的設(shè)計(jì)差異有哪些呢？
電池托盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更需“因材施教”
鋼、鋁材質(zhì)在強(qiáng)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(shí)在某些方面，例如強(qiáng)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(qiáng)化，并不代表本質(zhì)特性轉(zhuǎn)移和完全變化。尤其在車(chē)輛工程中，動(dòng)、靜態(tài)載荷下，特性差異，表現(xiàn)的更加明顯。
所以說(shuō)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)。
長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)新能源車(chē)輛并非正向設(shè)計(jì)。車(chē)身結(jié)構(gòu)或平臺(tái)，都是從燃油車(chē)過(guò)渡而來(lái)。車(chē)身結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有做太多適應(yīng)性改動(dòng)和設(shè)計(jì)，這個(gè)時(shí)候的設(shè)計(jì)，電池托盤(pán)與車(chē)身固定位置和形式，也只能順勢(shì)而為。
但是，隨著新能源市場(chǎng)放大和普及，電池系統(tǒng)的功能安全越來(lái)越被重視，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)法滿(mǎn)足新的功能需求。
對(duì)于前期生產(chǎn)的新能源產(chǎn)品，在客戶(hù)使用過(guò)程中，產(chǎn)品吊耳開(kāi)裂、IP失效、內(nèi)部模組結(jié)構(gòu)失效帶來(lái)電性能失效等等故障，托盤(pán)吊耳位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(pán)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?jī)H有鋼的三分之一。
如果托盤(pán)吊耳承載超限，或不同吊耳受力差值大、不均勻，面對(duì)車(chē)輛復(fù)雜的路況，動(dòng)態(tài)性能更加惡劣。鋁材質(zhì)在高振動(dòng)、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(kāi)裂、變形。
所以說(shuō)，托盤(pán)在吊耳位置、內(nèi)框架梁結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)開(kāi)裂等故障現(xiàn)象，甚至模組固定點(diǎn)脫落現(xiàn)象，也就不足為奇了。
托盤(pán)的鋁制吊耳固定點(diǎn)應(yīng)數(shù)量多，而且布置均勻，如下圖奧迪 e-tron鋁托盤(pán)案例所示。
不僅如此，做到電池模組和承載的托盤(pán)渾然一體，也不是一件容易的事。經(jīng)得起振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，也是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的最好辦法。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，經(jīng)常會(huì)碰到內(nèi)框架與托盤(pán)焊接的開(kāi)裂、內(nèi)框架支撐梁體開(kāi)裂。
開(kāi)裂原因初步分析：
從材料特性分析，故障點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)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(shí)， 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(kāi)裂的支撐梁是否和內(nèi)框架結(jié)構(gòu)是一個(gè)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(dòng)頻率一致 。
Audi的電池托盤(pán)設(shè)計(jì)，就是很好的案例。黃色箭頭是受力的狀態(tài)，內(nèi)部通過(guò)均勻的框架，讓?xiě)?yīng)力得到合理的釋放，同時(shí)與外部框架吊耳孔對(duì)應(yīng)，讓內(nèi)外結(jié)構(gòu)渾然一體。同時(shí)，也能抵御來(lái)自外部碰撞的破壞。
托盤(pán)設(shè)計(jì)靈魂：鋁外框架梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)
前面提到托盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)外渾然一體，外框架設(shè)計(jì)也是非常重要的。
從材料特性參數(shù)角度，鋁的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于鋼。
鋁及其合金的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別為30-500 N/sq mm和79 -570 N/sq mm。鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，分別在250-1000 N/sq mm和400-1250 N/sq mm范圍內(nèi)。
如下圖所示，兩側(cè)外框架A，是電池系統(tǒng)Z向矢量的第一承載者；前后外框架B,主要承載來(lái)自X向的矢量載荷。所以說(shuō)，關(guān)系到托盤(pán)吊耳位置或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就必須考慮這個(gè)因素。
同時(shí)，鋁的彈性模量比鋼差，這個(gè)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(chē)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(pán)主要采用6系鋁型材（材質(zhì)的應(yīng)用，還需進(jìn)一步分析和摸索）。
電池鋁托盤(pán)常用的幾種結(jié)構(gòu)類(lèi)型
鋁電池托盤(pán)，因?yàn)槠渲亓枯p，熔點(diǎn)低特點(diǎn)，一般有幾種形式：壓鑄鋁托盤(pán)、擠壓鋁合金框架和鋁板拼焊托盤(pán)（殼體）、模壓上蓋。
壓鑄鋁托盤(pán)結(jié)構(gòu)特征更多表現(xiàn)為一次壓鑄成型，減少了托盤(pán)結(jié)構(gòu)焊接帶來(lái)的材料燒損和強(qiáng)度問(wèn)題，整體強(qiáng)度特性更好。
這種結(jié)構(gòu)的托盤(pán)，框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不明顯，但是，整體強(qiáng)度可以滿(mǎn)足電池承截要求。常見(jiàn)于小能量電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如下圖的Audi A3壓鑄托盤(pán)。
擠壓鋁拼焊框架結(jié)構(gòu)比較多見(jiàn)，也是比較靈活的一種結(jié)構(gòu)。通過(guò)不同鋁型材的拼焊、加工，可以滿(mǎn)足各種能量大小的需求。同時(shí)，易于修改設(shè)計(jì)，易于調(diào)整所用材料。
從成本的角度，較之壓鑄鋁托盤(pán)，擠壓鋁拼焊框架結(jié)構(gòu)占有一定的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，隨著量產(chǎn)數(shù)量的不同，這種成本優(yōu)勢(shì)是否存在，也不一定。
框架結(jié)構(gòu)是托盤(pán)的一種結(jié)構(gòu)形式，在前期 “三+6”一文中，曾經(jīng)詳細(xì)作過(guò)描述?？蚣芙Y(jié)構(gòu)更有利于輕量化，更利于不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度保證。
鋁電池托盤(pán)結(jié)構(gòu)形式，也沿襲了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式：外框體主要完成電池整個(gè)系統(tǒng)的承載功能；內(nèi)框體主要完成對(duì)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(hù)面，主要完成電池組與外界的隔離、防護(hù)，例如，沙礫沖擊、防水、隔熱等等。
下圖為Audi 的框架結(jié)構(gòu)示意。每一層結(jié)構(gòu)，承載了不同的功能。
小結(jié)
鋁作為車(chē)輛輕量化的重要材料，必須立足全球市場(chǎng)，長(zhǎng)期關(guān)注其可持續(xù)性發(fā)展。同時(shí)，也要正確看待鋼、鋁在車(chē)輛應(yīng)用中的成本因素和技術(shù)進(jìn)步的區(qū)別。
鋁在設(shè)計(jì)中的正確應(yīng)用，需要對(duì)材質(zhì)特性的更深的理解。特別是針對(duì)重載荷的電池托盤(pán)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(yàn)，才能在輕量化的應(yīng)用中游刃有余，不斷進(jìn)步。
