电池结构轻量化-铝托盘应用发展及设计关注点
浅议动力电池结构轻量化：铝托盘应用发展及设计关注点
平全文 2019.02.19
前言
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。在保证电池功能安全前提下，占电池系统重量20~30%的结构件中，主要结构件托盘的减重，就成为主要改进目标之一。
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首选材料。但是，高强钢板自身也在走轻量化技术道路，和铝合金材质选用一直是胶着前行。
铝合金成本偏高，但是，铝合金优异的可加工性、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。
全球铝业可持续性发展趋势和车辆工程的对接奥迪是世界上第一家获得铝管理倡议(ASI)证书的汽车制造商
基于铝产业高能耗以及对环境影响特点、供应链健康状态，为了保障铝能在车辆上，可持续性应用和发展。Audio于2018年10月12日获得ASI认证。
负责采购和IT委员会成员AUBernd Marten说:“奥迪非常重视材料的可持续性价值和材料管理”。AUBernd 表示，电池铝壳体（托盘）作为电动奥迪e-tron的主要部件，奥迪将逐步在其全球工厂对尽可能多的铝部件进行开发、采购和生产过程的管理审核。此外，奥迪打算通过获得ASI认证的合作伙伴及其各自上游供应链上的供应商，来确保长期的铝材料可持续性供应。
ASI是全球铝业管理倡议组织
ASI（The Aluminium StewardshipInitiative ）是致力于全球铝价值链标准制定和认证的非营利性组织。
ASI铝业绩效标准：为铝的价值链和负责任生产而设定的标准。
ASI愿景：是实现铝对可持续性社会贡献的最大化。
ASI使命：是认同并协作推动铝的负责任生产、负责任采购和企业治理。
ASI价值包括：
·通过促进和促使所有利益相关方代表的参与，使我们的工作和决策过程更具有包容性。
·鼓励从铝土矿、氧化铝到铝价值链的参与，从矿山到下游铝产品用户。
·推进铝的生命周期中的材料管理，以确保在铝的开采、生产、使用和回收中共同承担责任。 (摘自中国铝业网)
铝合金轻量化发展应用趋势是清晰和明朗的
铝仍然是轻量化效果最明显的材料
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Tesla 车型产品,应该是轻量化应用的激进者，在早期的Model S上,从车身到电池系统结构,铝材料占比是很大的。因为，Model S 当时的消费群体定位，是针对豪华客户。
下图是各种金属材料，在全球知名整车产品应用中，所占的比例。黄色部分代表铝的应用状态。
铝在全球车辆产品应用中，比例逐年增长
铝作为轻量化特性应用，主要原因是，符合和顺应了产品的节能、环保、轻量化发展趋势。
下图是来自达克全球咨询的信息，铝在车辆中应用，逐年状态和发展趋势预测。
近期，低成本高强钢应用回潮，是合理的市场行为
Tesla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Model3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，也表明要首选低成本的钢板，并且说，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，不妨碍技术的进步和发展。在现阶段，钢、铝特性差异，带来的设计差异有哪些呢？
钢、铝材质差异较大，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。列举几个方面，加以阐述。
电池托盘吊耳结构位置设计，被动迎合车身结构，难以满足强度需求
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。
托盘吊耳固定点设计的合理性
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；铝的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。
如下图Audi e-tron铝托盘案例所示，不仅固定点数量多，而且布置均匀。
托盘吊耳固定点设计合理，内外框架结构“浑然一体”
如果做到电池模组和承载的托盘浑然一体，不是一件容易的事。首先经得起振动实验的考验，也是检验设计结果的最好办法。
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。
铝外框架梁强度设计是托盘设计灵魂
前面提到，托盘结构设计的内外浑然一体，其中，外框架设计是非常重要的。
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。
如下图所示，两侧外框架A，是电池系统Z向矢量的第一承载者；前后外框架B,主要承载来自X向的矢量载荷。所以说，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
对于铝电池托盘，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
更多结构特征是一次压铸成型，更多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。如下图的Audi A3压铸托盘。
挤压铝拼焊框架结构
这种结构比较多见。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，我觉得，较压铸铝托盘，占有一定的优势。当然了，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。
对于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。
下图为Audi 的框架结构示意。每一层结构，承载了不同的功能。
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。