電池托盤(pán)輕量化 選鋁還是高強鋼？船用鋁板

在動(dòng)力電池中，托盤(pán)占去了電池系統重量的20~30%，實(shí)為主要結構件。因此在保證電池功能安全前提下，托盤(pán)的輕量化就成為電池結構件主要改進(jìn)目標之一。

從材料綜合指標評估來(lái)看，鋁合金材質(zhì)，首先能滿(mǎn)足車(chē)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(guò)，高強鋼板自身也在走輕量化技術(shù)道路。因此，鋁合金材質(zhì)和輕量化高強鋼板在材料選用的道路上一直呈現出膠著(zhù)前行的狀態(tài)。

膠著(zhù)前行的鋁和鋼

由于順應了產(chǎn)品的節能、環(huán)保、輕量化發(fā)展趨勢，鋁一般都是企業(yè)實(shí)現輕量化的主要方案。但是輕量化并非是車(chē)企選材時(shí)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(lái)也將得到越來(lái)越廣泛的應用。鋁合金雖然成本偏高，但是其優(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(shí)現電動(dòng)化的新能源汽車(chē)輕量化進(jìn)程的重要標志。

達克全球咨詢(xún)對北美車(chē)均鋁用量進(jìn)行了調研和預測，它們發(fā)現從1996年以來(lái)，鋁在車(chē)輛中應用呈現出逐年增長(cháng)的趨勢，且自2012年開(kāi)始出現攀升態(tài)勢。2015年時(shí)車(chē)用鋁含量已經(jīng)達到400磅/輛（約合181kg/輛），到2020年則超過(guò)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(gè)車(chē)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(jìn)者。初時(shí)，Model S從車(chē)身到電池系統結構,鋁材料占比均很大。因為，Model S當時(shí)的消費群體定位，是針對豪華客戶(hù)。

特斯拉Model S是鋁含量 高的車(chē)型。

但其他大眾化車(chē)型選用材料中分量 高的卻是享有成本優(yōu)勢的高強鋼。例如日產(chǎn)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(jiàn)，盡管鋁合金輕量化發(fā)展應用趨勢是清晰和明朗的，但是成本因素仍在制約著(zhù)它大踏步向前發(fā)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(shù)的瘋狂者，考慮成本因素，調整鋁用量也是合理的技術(shù)行為。在Model 3設計中，設計思路一改前期的“激進(jìn)”“豪華”，車(chē)身架構采用鋼鋁混合金屬材質(zhì)，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(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(cháng)，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?xún)�；如果采�?a target="_blank">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(zhì)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(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

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

電池托盤(pán)結構設計更需“因材施教”

鋼、鋁材質(zhì)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(shù)，確實(shí)在某些方面，例如強度特性方面，較純鋁，獲得非常顯著(zhù)的提升。但是，單一特性的強化，并不代表本質(zhì)特性轉移和完全變化。尤其在車(chē)輛工程中，動(dòng)、靜態(tài)載荷下，特性差異，表現的更加明顯。

所以說(shuō)，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(cháng)期以來(lái)，國內新能源車(chē)輛并非正向設計。車(chē)身結構或平臺，都是從燃油車(chē)過(guò)渡而來(lái)。車(chē)身結構，并沒(méi)有做太多適應性改動(dòng)和設計，這個(gè)時(shí)候的設計，電池托盤(pán)與車(chē)身固定位置和形式，也只能順勢而為。

但是，隨著(zhù)新能源市場(chǎng)放大和普及，電池系統的功能安全越來(lái)越被重視，這種結構設計，無(wú)法滿(mǎn)足新的功能需求。

對于前期生產(chǎn)的新能源產(chǎn)品，在客戶(hù)使用過(guò)程中，產(chǎn)品吊耳開(kāi)裂、IP失效、內部模組結構失效帶來(lái)電性能失效等等故障，托盤(pán)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(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，彈性模量?jì)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，面對車(chē)輛復雜的路況，動(dòng)態(tài)性能更加惡劣。鋁材質(zhì)在高振動(dòng)、高應力集中狀態(tài)下，更容易出現疲勞狀態(tài)，導致開(kāi)裂、變形。

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

托盤(pán)的鋁制吊耳固定點(diǎn)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(pán)渾然一體，也不是一件容易的事。經(jīng)得起振動(dòng)實(shí)驗的考驗，也是檢驗設計結果的 好辦法。在實(shí)驗進(jìn)行中，經(jīng)常會(huì )碰到內框架與托盤(pán)焊接的開(kāi)裂、內框架支撐梁體開(kāi)裂。

開(kāi)裂原因初步分析：

從材料特性分析，故障點(diǎn)應力超過(guò)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(shí)，導致的燒損，改變或削弱了材料的參數特性。

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

Audi的電池托盤(pán)設計，就是很好的案例。黃色箭頭是受力的狀態(tài)，內部通過(guò)均勻的框架，讓?xiě)�力得到合理的釋放，同時(shí)與外部框架吊耳孔對應，讓內外結構渾然一體。同時(shí)，也能抵御來(lái)自外部碰撞的破壞。

托盤(pán)設計靈魂：鋁外框架梁強度設計

前面提到托盤(pán)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(guān)系到托盤(pán)吊耳位置或結構設計，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)系到結構的材質(zhì)的疲勞或壽命。

車(chē)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(pán)主要采用6系鋁型材（材質(zhì)的應用，還需進(jìn)一步分析和摸索）。

電池鋁托盤(pán)常用的幾種結構類(lèi)型

鋁電池托盤(pán)，因為其重量輕，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)結構特征更多表現為一次壓鑄成型，減少了托盤(pán)結構焊接帶來(lái)的材料燒損和強度問(wèn)題，整體強度特性更好。

這種結構的托盤(pán)，框架結構特點(diǎn)不明顯，但是，整體強度可以滿(mǎn)足電池承截要求。常見(jiàn)于小能量電池系統結構。

擠壓鋁拼焊框架結構比較多見(jiàn)，也是比較靈活的一種結構。通過(guò)不同鋁型材的拼焊、加工，可以滿(mǎn)足各種能量大小的需求。同時(shí)，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(pán)，擠壓鋁拼焊框架結構占有一定的優(yōu)勢。當然，隨著(zhù)量產(chǎn)數量的不同，這種成本優(yōu)勢是否存在，也不一定。

框架結構是托盤(pán)的一種結構形式，在前期“三+6”一文中，曾經(jīng)詳細作過(guò)描述�？蚣芙Y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(pán)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(gè)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(chē)輛輕量化的重要材料，必須立足全球市場(chǎng)，長(cháng)期關(guān)注其可持續性發(fā)展。同時(shí)，也要正確看待鋼、鋁在車(chē)輛應用中的成本因素和技術(shù)進(jìn)步的區別。

鋁在設計中的正確應用，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(pán)應用，還需要不斷摸索，做到心中有數，不斷積累應用經(jīng)驗，才能在輕量化的應用中游刃有余，不斷進(jìn)步。