鋁在新能源汽車行業(yè)發(fā)展趨勢和技術(shù)應(yīng)用

遠(yuǎn)祥

鋁在全球車輛產(chǎn)品應(yīng)用中,，比例逐年增長

鋁作為輕量化特性應(yīng)用,，主要原因是,，符合和順應(yīng)了產(chǎn)品的節(jié)能,、環(huán)保,、輕量化發(fā)展趨勢,。

下圖是來自達(dá)克全球咨詢的信息,，鋁在車輛中應(yīng)用,，逐年狀態(tài)和發(fā)展趨勢預(yù)測。

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近期,，低成本高強(qiáng)鋼應(yīng)用回潮,，是合理的市場行為

Tesla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Model3設(shè)計中,，設(shè)計思路一改前期的“激進(jìn)”“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(yuǎn)播的大眾MEB平臺的設(shè)計者們,，也表明要首選低成本的鋼板，并且說,，新能源車輛不僅僅是“富有階層的時尚”,。

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,，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,，不妨礙技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,。在現(xiàn)階段，鋼,、鋁特性差異,，帶來的設(shè)計差異有哪些呢？

鋼,、鋁材質(zhì)差異較大,，電池托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計更需“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。列舉幾個方面,，加以闡述,。

電池托盤吊耳結(jié)構(gòu)位置設(shè)計，被動迎合車身結(jié)構(gòu),，難以滿足強(qiáng)度需求

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,。

托盤吊耳固定點(diǎn)設(shè)計的合理性

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,；鋁的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(diǎn)脫落現(xiàn)象,，也就不足為奇了。

如下圖Audi e-tron鋁托盤案例所示,，不僅固定點(diǎn)數(shù)量多，而且布置均勻,。

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托盤吊耳固定點(diǎn)設(shè)計合理,，內(nèi)外框架結(jié)構(gòu)“渾然一體”

如果做到電池模組和承載的托盤渾然一體，不是一件容易的事,。首先經(jīng)得起振動實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn),，也是檢驗(yàn)設(shè)計結(jié)果的最好辦法。

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(diǎn)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,。

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鋁外框架梁強(qiáng)度設(shè)計是托盤設(shè)計靈魂

前面提到,，托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)外渾然一體，其中,，外框架設(shè)計是非常重要的,。

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,主要承載來自X向的矢量載荷,。所以說,，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(jìn)一步分析和摸索）。

電池鋁托盤常用的幾種結(jié)構(gòu)類型

對于鋁電池托盤,，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,、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

更多結(jié)構(gòu)特征是一次壓鑄成型,，更多減少了托盤結(jié)構(gòu)焊接帶來的材料燒損和強(qiáng)度問題,，整體強(qiáng)度特性更好,。

這種結(jié)構(gòu)的托盤，框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不明顯,，但是,，整體強(qiáng)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),。如下圖的Audi A3壓鑄托盤,。

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擠壓鋁拼焊框架結(jié)構(gòu)

這種結(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,，我覺得，較壓鑄鋁托盤,，占有一定的優(yōu)勢,。當(dāng)然了，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(xì)作過描述�,？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。

對于鋁電池托盤結(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(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,。

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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(jìn)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(yàn),，才能在輕量化的應(yīng)用中游刃有余,，不斷進(jìn)步。

shmilysunny

不管是鋁還是其他材料，做到輕量化除了改結(jié)構(gòu),，就是尋求新的材料,，材料的發(fā)展及工藝應(yīng)用應(yīng)該是很重要的方向

前景錢

鋁是一種普及的材料

一貫ljx

輕量化

韓寒11

比亞迪做的電動公交車就有運(yùn)用工業(yè)鋁車身的，整體輕量化,，也減少了能源的消耗,，提升效率