电池托盘轻量化选铝照样高强钢？

在动力电池中，托盘占去了电池系统重量的20~30%，实为紧张构造件。
因此在担保电池功能安全条件下，托盘的轻量化就成为电池构造件紧张改进目标之一。

从材料综合指标评估来看，铝合金材质，首先能知足车辆零部件包括电池系统构造需求，仍旧是替代部分钢构造的首选材料。

不过，高强钢板自身也在走轻量化技能道路。
因此，铝合金材质和轻量化高强钢板在材料选用的道路上一贯呈现出胶着前行的状态。

胶着前行的铝和钢

由于顺应了产品的节能、环保、轻量化发展趋势，铝一样平常都是企业实现轻量化的紧张方案。
但是轻量化并非是车企选材时的唯一考量成分，本钱亦是。

毋庸置疑，铝轻量化效果最明显，因而在未来也将得到越来越广泛的运用。
铝合金虽然本钱偏高，但是其精良的可加工性、低密度(铝合金的密度为2.7g/cm)、耐堕落性、高可回收循环利用等特性，上风明显，仍旧是实现电动化的新能源汽车轻量化进程的主要标志。

达克环球咨询对北美车均铝用量进行了调研和预测，它们创造从1996年以来，铝在车辆中运用呈现出逐年增长的趋势，且自2012年开始涌现攀升态势。
2015年时车用铝含量已经达到400磅/辆(约合181kg/辆)，到2020年则超过450磅/辆(约合204kg/辆)，到2028年打破550磅/辆(约合249kg/辆)

当然，受制于本钱成分，铝合金在各个车型上运用，也不尽相同。

早期的特斯拉,该当是轻量化运用的激进者。
初时，Model S从车身到电池系统构造, 铝材料占比均很大。
由于，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环球有名整车产品运用中所占的比例。
黄色部分代表铝的运用状态。
特斯拉Model S是铝含量最高的车型。

但其他大众化车型选用材料等分量最高的却是享有本钱上风的高强钢。
例如日产Leaf、大众高尔夫、丰田普锐斯，它们更方向于在高强钢板和异形钢下功夫。

由此可见，只管铝合金轻量化发展运用趋势是清晰和明朗的，但是本钱成分仍在制约着它大踏步向前发展。
这反倒有利于低本钱的高强钢，详细表现为运用回潮。

特斯拉不全是技能的猖獗者，考虑本钱成分，调度铝用量也是合理的技能行为。
在Model 3设计中，设计思路一改前期的“激进”“豪华”，车身架构采取钢铝稠浊金属材质，降落了铝的运用占比。

就连名噪远播的大众MEB平台的设计者们，也表明要首选低本钱的钢板，并且表示新能源车辆不仅仅是“富有阶层的时尚”。

实在，一种材料不可能完备替代其余一种材料。
任何一种材料，不管是从本钱角度、性能角度，都是各有千秋，并行发展的。
只能说，一种材料，在某一方面，能更好的符合技能或市场发展须要而已。

铝材料在新能源的运用，主体还是轻量化需求、节能需求。
目前，以40KWh的电池系统为例,如果采取钢材构造,其本钱可以掌握在1千元以内；如果采取铝型材拼焊壳体构造,在3~5千元之间。
本钱比例，铝合金仍旧是钢板材质的3~5倍。

铝在新能源的推广运用中，本钱成分，仍旧是一只拦路虎。
但是，这不妨碍技能的进步和发展。

但我们须要明晰的是，在现阶段，钢、铝特性差异带来的设计差异有哪些呢？

电池托盘构造设计更需“因材施教”

钢、铝材质在强度、抗疲倦、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。
采取金属合金技能，确实在某些方面，例如强度特性方面，较纯铝，得到非常显著的提升。
但是，单一特性的强化，并不代表实质特性转移和完备变革。
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。

以是说，在构造设计中，只管功能是完备相同的零件，铝合金构造也不能等同于钢构造设计。

长期以来，海内新能源车辆并非正向设计。
车身构造或平台，都是从燃油车过渡而来。
车身构造，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遍及，电池系统的功能安全越来越被重视，这种构造设计，无法知足新的功能需求。

对付前期生产的新能源产品，在客户利用过程中，产品吊耳开裂、IP失落效、内部模组构造失落效带来电性能失落效等等故障，托盘吊耳位置构造设计的不合理，都是直接或间接的紧张缘故原由之一。

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，一贯是处在重载荷状态之中。
铝的疲倦性能只有钢的一半，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、不屈均，面对车辆繁芜的路况，动态性能更加恶劣。
铝材质在高振动、高应力集中状态下，更随意马虎涌现疲倦状态，导致开裂、变形。

以是说，托盘在吊耳位置、内框架梁构造，涌现开裂等故障征象，乃至模组固定点脱落征象，也就不足为奇了。

托盘的铝制吊耳固定点应数量多，而且支配均匀，如下图奥迪 e-tron铝托盘案例所示。

不仅如此，做到电池模组和承载的托盘十全十美，也不是一件随意马虎的事。
经得起振动实验的磨练，也是考验设计结果的最好办法。
在实验进行中，常常会碰到内框架与托盘焊接的开裂、内框架支撑梁体开裂。

开裂缘故原由初步剖析：

从材料特性剖析，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。

从构造角度，开裂的支撑梁是否和内框架构造是一个整体。
整体构造，更有利于应力分散和应力均匀、振动频率同等 。

Audi的电池托盘设计，便是很好的案例。
黄色箭头是受力的状态，内部通过均匀的框架，让应力得到合理的开释，同时与外部框架吊耳孔对应，让内外构造十全十美。
同时，也能抵御来自外部碰撞的毁坏。

托盘设计灵魂：铝外框架梁强度设计

前面提到托盘构造设计的内外十全十美，外框架设计也是非常主要的。

从材料特性参数角度，铝的屈从强度和抗拉强度均低于钢。

铝及其合金的屈从强度和拉伸强度分别为30-500 N/sq mm和79 -570 N/sq mm。
钢的屈从强度和抗拉强度，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,紧张承载来自X向的矢量载荷。
以是说，关系到托盘吊耳位置或构造设计，就必须考虑这个成分。

同时，铝的弹性模量比钢差，这个特性也是非常主要的，关系到构造的材质的疲倦或寿命。

车用铝合金运用紧张包括5系(Al-Mg系)6系(Al-Mg-Si系)等等。
据理解，铝托盘紧张采取6系铝型材(材质的运用，还需进一步剖析和摸索)。

电池铝托盘常用的几种构造类型

铝电池托盘，由于其重量轻，熔点低特点，一样平常有几种形式：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。

压铸铝托盘构造特色更多表现为一次压铸成型，减少了托盘构造焊接带来的材料烧损和强度问题，整体强度特性更好。

这种构造的托盘，框架构造特点不明显，但是，整体强度可以知足电池承截哀求。
常见于小能量电池系统构造。
如下图的Audi A3压铸托盘。

挤压铝拼焊框架构造比较多见，也是比较灵巧的一种构造。
通过不同铝型材的拼焊、加工，可以知足各种能量大小的需求。
同时，易于修正设计，易于调度所用材料。

从本钱的角度，较之压铸铝托盘，挤压铝拼焊框架构造霸占一定的上风。
当然，随着量产数量的不同，这种本钱上风是否存在，也不一定。

框架构造是托盘的一种构造形式，在前期 “三+6”一文中，曾经详细作过描述。
框架构造更有利于轻量化，更利于不同构造的强度担保。

铝电池托盘构造形式，也沿袭了框架构造设计形式：外框体紧张完成电池全体系统的承载功能；内框体紧张完成对模组、水冷板等子模块的承载功能；在内外框体的中间防护面，紧张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 的框架构造示意。
每一层构造，承载了不同的功能。

小结

铝作为车辆轻量化的主要材料，必须立足环球市场，长期关注其可持续性发展。
同时，也要精确看待钢、铝在车辆运用中的本钱成分和技能进步的差异。

铝在设计中的精确运用，须要对材质特性的更深的理解。
特殊是针对重载荷的电池托盘运用，还须要不断摸索，做到心中有数，不断积累运用履历，才能在轻量化的运用中游刃有余，不断进步。