鋁托盤應(yīng)用發(fā)展及設(shè)計關(guān)注點介紹

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(tǒng)中，輕量化需求顯得尤為迫切。在保證電池功能安全前提下，占電池系統(tǒng)重量20~30%的結(jié)構(gòu)件中，主要結(jié)構(gòu)件托盤的減重，就成為主要改進(jìn)目標(biāo)之一。

從材料綜合指標(biāo)評估來看，鋁合金材質(zhì)，首先能滿足車輛零部件包括電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需求，仍然是替代部分鋼結(jié)構(gòu)的首選材料。但是，高強(qiáng)鋼板自身也在走輕量化技術(shù)道路，和鋁合金材質(zhì)選用一直是膠著前行。

鋁合金成本偏高，但是，鋁合金優(yōu)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(huán)利用等特性，優(yōu)勢明顯，仍然是實現(xiàn)電動化的新能源汽車輕量化進(jìn)程的重要標(biāo)志。

全球鋁業(yè)可持續(xù)性發(fā)展趨勢和車輛工程的對接奧迪是世界上第一家獲得鋁管理倡議(ASI)證書的汽車制造商

基于鋁產(chǎn)業(yè)高能耗以及對環(huán)境影響特點、供應(yīng)鏈健康狀態(tài)，為了保障鋁能在車輛上，可持續(xù)性應(yīng)用和發(fā)展。Audio于2018年10月12日獲得ASI認(rèn)證。

負(fù)責(zé)采購和IT委員會成員AUBernd Marten說:“奧迪非常重視材料的可持續(xù)性價值和材料管理”。AUBernd 表示，電池鋁殼體（托盤）作為電動奧迪e-tron的主要部件，奧迪將逐步在其全球工廠對盡可能多的鋁部件進(jìn)行開發(fā)、采購和生產(chǎn)過程的管理審核。此外，奧迪打算通過獲得ASI認(rèn)證的合作伙伴及其各自上游供應(yīng)鏈上的供應(yīng)商，來確保長期的鋁材料可持續(xù)性供應(yīng)。

ASI是全球鋁業(yè)管理倡議組織

ASI（The Aluminium StewardshipInitiative）是致力于全球鋁價值鏈標(biāo)準(zhǔn)制定和認(rèn)證的非營利性組織。

ASI鋁業(yè)績效標(biāo)準(zhǔn)：為鋁的價值鏈和負(fù)責(zé)任生產(chǎn)而設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。

ASI愿景：是實現(xiàn)鋁對可持續(xù)性社會貢獻(xiàn)的最大化。

ASI使命：是認(rèn)同并協(xié)作推動鋁的負(fù)責(zé)任生產(chǎn)、負(fù)責(zé)任采購和企業(yè)治理。

ASI價值包括：

·通過促進(jìn)和促使所有利益相關(guān)方代表的參與，使我們的工作和決策過程更具有包容性。

·鼓勵從鋁土礦、氧化鋁到鋁價值鏈的參與，從礦山到下游鋁產(chǎn)品用戶。

·推進(jìn)鋁的生命周期中的材料管理，以確保在鋁的開采、生產(chǎn)、使用和回收中共同承擔(dān)責(zé)任。 (摘自中國鋁業(yè)網(wǎng))

鋁合金輕量化發(fā)展應(yīng)用趨勢是清晰和明朗的

鋁仍然是輕量化效果最明顯的材料

受制于成本因素，鋁合金在各個車型上應(yīng)用，也不盡相同。

早期的Tesla 車型產(chǎn)品,應(yīng)該是輕量化應(yīng)用的激進(jìn)者，在早期的Model S上,從車身到電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu),鋁材料占比是很大的。因為，Model S 當(dāng)時的消費(fèi)群體定位，是針對豪華客戶。

下圖是各種金屬材料，在全球知名整車產(chǎn)品應(yīng)用中，所占的比例。黃色部分代表鋁的應(yīng)用狀態(tài)。

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。

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，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，不僅固定點數(shù)量多，而且布置均勻。

托盤吊耳固定點設(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)得起振動實驗的考驗，也是檢驗設(shè)計結(jié)果的最好辦法。

在實驗進(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。

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

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。

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。框架結(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。

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，才能在輕量化的應(yīng)用中游刃有余，不斷進(jìn)步。