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            電池托盤輕量化 選鋁還是高強鋼?

            高工鋰電技術與應用2019/03/20 10:21:57

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            電池托盤輕量化 選鋁還是高強鋼?

            鋁道網】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重量的20~30%,實為主要結構件。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構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,首先能滿足車輛零部件包括電池系統結構需求,仍然是替代部分鋼結構的 材料。

            不過,高強鋼板自身也在走輕量化技術道路。因此,鋁合金材質和輕量化高強鋼板在材料選用的道路上一直呈現出膠著前行的狀態。

            膠著前行的鋁和鋼

            由于順應了產品的節能、環保、輕量化發展趨勢,鋁一般都是企業實現輕量化的主要方案。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用。鋁合金雖然成本偏高,但是其優異的可加工性、低密度(鋁合金的密度為2.7g/cm)、耐腐蝕性、高可回收循環利用等特性,優勢明顯,仍然是實現電動化的新能源汽車輕量化進程的重要標志。

            達克球咨詢對北美車均鋁用量進行了調研和預測,它們發現從1996年以來,鋁在車輛中應用呈現出逐年增長的趨勢,且自2012年開始出現攀升態勢。2015年時車用鋁含量已經達到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用,也不盡相同。

            早期的特斯拉,應該是輕量化應用的激進者。初時,Model S從車身到電池系統結構,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勢的高強鋼。例如日產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展應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展。這反倒有利于低成本的高強鋼,具體表現為應用回潮。

            特斯拉不全是技術的瘋狂者,考慮成本因素,調整鋁用量也是合理的技術行為。在Model 3設計中,設計思路一改前期的“激進”“豪華”,車身架構采用鋼鋁混合金屬材質,降低了鋁的應用占比。

            就連名噪遠播的大眾MEB平臺的設計者們,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,并行發展的。只能說,一種材料,在某一方面,能更好的符合技術或市場發展需要而已。

            鋁材料在新能源的應用,主體還是輕量化需求、節能需求。目前,以40KWh的電池系統為例,如果采用鋼材結構,其成本可以控制在1千元以內;如果采用鋁型材拼焊殼體結構,在3~5千元之間。成本比例,鋁合金仍然是鋼板材質的3~5倍。

            鋁在新能源的推廣應用中,成本因素,仍然是一只攔路虎。但是,這不妨礙技術的進步和發展。

            但我們需要明晰的是,在現階段,鋼、鋁特性差異帶來的設計差異有哪些呢?

            電池托盤結構設計更需“因材施教”

            鋼、鋁材質在強度、抗疲勞、彈性模量、抗拉、抗壓、抗剪、抗彎等特性參數方面,存在非常大的差異。采用金屬合金技術,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,并不代表本質特性轉移和完全變化。尤其在車輛工程中,動、靜態載荷下,特性差異,表現的更加明顯。

            所以說,在結構設計中,盡管功能是完全相同的零件,鋁合金結構也不能等同于鋼結構設計。

            長期以來,國內新能源車輛并非正向設計。車身結構或平臺,都是從燃油車過渡而來。車身結構,并沒有做太多適應性改動和設計,這個時候的設計,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,電池系統的功能安全越來越被重視,這種結構設計,無法滿足新的功能需求。

            對于前期生產的新能源產品,在客戶使用過程中,產品吊耳開裂、IP失效、內部模組結構失效帶來電性能失效等等故障,托盤吊耳位置結構設計的不合理,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,面對車輛復雜的路況,動態性能更加惡劣。鋁材質在高振動、高應力集中狀態下,更容易出現疲勞狀態,導致開裂、變形。

            所以說,托盤在吊耳位置、內框架梁結構,出現開裂等故障現象,甚至模組固定點脫落現象,也就不足為奇了。

            托盤的鋁制吊耳固定點應數量多,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。經得起振動實驗的考驗,也是檢驗設計結果的 好辦法。在實驗進行中,經常會碰到內框架與托盤焊接的開裂、內框架支撐梁體開裂。

            開裂原因初步分析:

            從材料特性分析,故障點應力超過了材料本身所能承載應力或應力集中。

            從工藝角度,材料焊接時,導致的燒損,改變或削弱了材料的參數特性。

            從結構角度,開裂的支撐梁是否和內框架結構是一個整體。整體結構,更有利于應力分散和應力均勻、振動頻率一致。

            Audi的電池托盤設,就是很好的案例。黃色箭頭是受力的狀態,內部通過均勻的框架,讓應力得到合理的釋放,同時與外部框架吊耳孔對應,讓內外結構渾然一體。同時,也能抵御來自外部碰撞的破壞。

            托盤設計靈魂:鋁外框架梁強度設計

            前面提到托盤結構設計的內外渾然一體,外框架設計也是非常重要的。

            從材料特性參數角度,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。

            關系到托盤吊耳位置或結構設計,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,關系到結構的材質的疲勞或壽命。

            車用鋁合金應用主要包括5×××系(Al-Mg系)6×××系(Al-Mg-Si系)等等。據了解,鋁托盤主要采用6系鋁型材(材質的應用,還需進一步分析和摸索)。

            電池鋁托盤常用的幾種結構類型

            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。

            壓鑄鋁托盤結構特征更多表現為一次壓鑄成型,減少了托盤結構焊接帶來的材料燒損和強度問題,整體強度特性更好。

            這種結構的托盤,框架結構特點不明顯,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結構。

            擠壓鋁拼焊框架結構比較多見,也是比較靈活的一種結構。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,易于修改設計,易于調整所用材料。

            從成本的角度,較之壓鑄鋁托盤,擠壓鋁拼焊框架結構占有一定的優勢。當然,隨著量產數量的不同,這種成本優勢是否存在,也不一定。

            框架結構是托盤的一種結構形式,在前期“三+6”一文中,曾經詳細作過描述。框架結構更有利于輕量化,更利于不同結構的強度保證。

            鋁電池托盤結構形式,也沿襲了框架結構設計形式:外框體主要完成電池整個系統的承載功能;內框體主要完成對模組、水冷板等子模塊的承載功能;在內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

            鋁作為車輛輕量化的重要材料,必須立足全球市場,長期關注其可持續性發展。同時,也要正確看待鋼、鋁在車輛應用中的成本因素和技術進步的區別。

            鋁在設計中的正確應用,需要對材質特性的更深的理解。特別是針對重載荷的電池托盤應用,還需要不斷摸索,做到心中有數,不斷積累應用經驗,才能在輕量化的應用中游刃有余,不斷進步。

            作者:匿名22959次瀏覽

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