鋁在新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)應(yīng)用

遠(yuǎn)祥

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鋁在全球車(chē)輛產(chǎn)品應(yīng)用中,，比例逐年增長(zhǎng)

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(shì),。

下圖是來(lái)自達(dá)克全球咨詢(xún)的信息,，鋁在車(chē)輛中應(yīng)用，逐年?duì)顟B(tài)和發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè),。

近期,，低成本高強(qiáng)鋼應(yīng)用回潮，是合理的市場(chǎng)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(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,，并且說(shuō)，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,，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(lái)的設(shè)計(jì)差異有哪些呢,？

鋼,、鋁材質(zhì)差異較大，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),。列舉幾個(gè)方面，加以闡述,。

電池托盤(pán)吊耳結(jié)構(gòu)位置設(shè)計(jì),，被動(dòng)迎合車(chē)身結(jié)構(gòu),，難以滿足強(qiáng)度需求

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,。

托盤(pán)吊耳固定點(diǎn)設(shè)計(jì)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(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,；鋁的彈性模量?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,。

如下圖Audi e-tron鋁托盤(pán)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(pán)吊耳固定點(diǎn)設(shè)計(jì)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(pán)渾然一體,，不是一件容易的事,。首先經(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。

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鋁外框架梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)是托盤(pán)設(shè)計(jì)靈魂

前面提到,，托盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)外渾然一體,，其中，外框架設(shè)計(jì)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。

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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

對(duì)于鋁電池托盤(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)

更多結(jié)構(gòu)特征是一次壓鑄成型,，更多減少了托盤(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)

這種結(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,，我覺(jué)得,，較壓鑄鋁托盤(pán)，占有一定的優(yōu)勢(shì),。當(dāng)然了,，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,。

對(duì)于鋁電池托盤(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)
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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,。

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(qián)

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(dòng)公交車(chē)就有運(yùn)用工業(yè)鋁車(chē)身的,，整體輕量化，也減少了能源的消耗,，提升效率