让电动车跑得更远,浅议动力电池结构轻量化:铝托盘应用及设计

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。

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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。

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ASI是全球铝业管理倡议组织

ASI(The Aluminium Stewardship Initiative )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。

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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。

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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Model 3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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。


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