鋁在新能源汽車行業發展趨勢和技術應用

遠祥

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鋁在全球車輛產品應用中，比例逐年增長

鋁作為輕量化特性應用，主要原因是，符合和順應了產品的節能、環保、輕量化發展趨勢。

下圖是來自達克全球咨詢的信息，鋁在車輛中應用，逐年狀態和發展趨勢預測。

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近期，低成本高強鋼應用回潮，是合理的市場行為

Tesla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Model3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，不妨礙技術的進步和發展。在現階段，鋼、鋁特性差異，帶來的設計差異有哪些呢？

鋼、鋁材質差異較大，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。列舉幾個方面，加以闡述。

電池托盤吊耳結構位置設計，被動迎合車身結構，難以滿足強度需求

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。

托盤吊耳固定點設計的合理性

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。

如下圖Audi e-tron鋁托盤案例所示，不僅固定點數量多，而且布置均勻。

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托盤吊耳固定點設計合理，內外框架結構“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。首先經得起振動實驗的考驗，也是檢驗設計結果的最好辦法。

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的電池托盤設計，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。

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鋁外框架梁強度設計是托盤設計靈魂

前面提到，托盤結構設計的內外渾然一體，其中，外框架設計是非常重要的。

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。

如下圖所示，兩側外框架A，是電池系統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

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

更多結構特征是一次壓鑄成型，更多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。如下圖的Audi A3壓鑄托盤。

擠壓鋁拼焊框架結構

這種結構比較多見。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，我覺得，較壓鑄鋁托盤，占有一定的優勢。當然了，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。

對于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。

下圖為Audi 的框架結構示意。每一層結構，承載了不同的功能。

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。

shmilysunny

不管是鋁還是其他材料，做到輕量化除了改結構，就是尋求新的材料，材料的發展及工藝應用應該是很重要的方向

前景錢

鋁是一種普及的材料

一貫ljx

輕量化

韓寒11

比亞迪做的電動公交車就有運用工業鋁車身的，整體輕量化，也減少了能源的消耗，提升效率