鋁合金電池包殼體結(jié)構(gòu)設計

段廣坡

（忠旺鋁業(yè)有限公司，北京 100020）

0 前言

經(jīng)過近幾年的高速發(fā)展，目前我國已成為世界新能源汽車產(chǎn)銷第一大國。隨著國家2019年新能源汽車補貼政策的出臺和續(xù)航里程要求的提高，對電池系統(tǒng)能量密度提出了更高的要求。提升電池能量密度有兩種路徑：一是增加單體電芯的比能量；二是電池包的結(jié)構(gòu)輕量化。提升單體電芯的比能量，技術難度大，研發(fā)周期長，資金投入大，相比之下，使電池包的結(jié)構(gòu)輕量化則更容易實現(xiàn)。

鋁合金在汽車上的應用早已屢見不鮮。鋁合金具有密度低、比強度高、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性及導熱性良好、無磁性、成型容易、回收價值高等諸多優(yōu)點，因此是電池包輕量化設計的理想材料。

目前，電池包殼體用材主流方案是擠壓鋁合金殼體+PP/玻纖復合材料上蓋。就目前發(fā)展來看，鋁合金殼體和塑料上蓋的方案具有輕量化前景。殼體采用鋁擠壓型材+攪拌摩擦焊+MIG焊的方案，綜合應用成本低，性能滿足要求，且可實現(xiàn)水冷電池的循環(huán)水道的集成。上蓋采用非金屬上蓋，主要用到PP/玻纖+LFT-D模壓工藝，既能提高生產(chǎn)的效率也可滿足火焰燃燒和密封性能的要求，且模具成本較低。

鋁合金電池包殼體已在多款新能源汽車上應用，例如比亞迪宋和唐、蔚來ES8、北汽EV系列等。該殼體可提升電池包能量密度，增加續(xù)航里程。由此可見，鋁合金電池包殼體具有廣闊的市場前景。

1 鋁合金電池包殼體結(jié)構(gòu)

典型的鋁合金拼焊電池包殼體如圖1所示。殼體主要由鋁合金型材邊框和鋁合金型材底板構(gòu)成，采用6×××系擠壓型材拼焊而成。為保證焊接強度和密封性，選用低應力變形小的攪拌摩擦焊，鋁合金型材適用的標準件一般有鋼絲螺套、拉鉚螺母、壓鉚螺母。除標準件外，其余為100%鋁合金材質(zhì)。該殼體強度高、重量輕、耐腐蝕性好。

圖1 鋁合金電池包殼體圖

2 設計方案介紹

2.1 斷面結(jié)構(gòu)及材質(zhì)

邊框和底板為鋁合金擠壓型材，材料一般選用6061-T6（屈服強度240 MPa，抗拉強度260 MPa）、6005A-T6（屈服強度215 MPa，抗拉強度255 MPa）和6063-T6（屈服強度170 MPa，抗拉強度215 MPa）等，根據(jù)斷面復雜程度、成本、模具消耗等因素考慮具體選用何種牌號。這幾種材料的強度大小依次為6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6，同等斷面擠壓難度為6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6[1]。圖2是邊框的典型斷面，由多個空腔組成，材質(zhì)為6061-T6，壁厚最薄處2 mm。邊框主要有兩種加工方案：一是進行整體型材擠壓，然后機加工，零件一體性好，強度有保證，但加工量大，成本較高；另一種是采用型材拼焊的方式，此種方案成本較低，但焊縫強度較弱，需要驗證焊縫強度是否滿足要求。在實際生產(chǎn)中應綜合考慮，選擇最佳的設計方案。

圖2 邊框斷面

圖3是底板的典型斷面，由多個空腔組成，包括上部凸起，上部凸起主要用于電池模組的安裝。因斷面尺寸較大，且厚度只有2 mm，所以選擇材質(zhì)6005A-T6。上部凸起如需要安裝鋼絲螺套，可將上部空腔做成實心。非安裝部位可用CNC設備去除，在保證強度的同時，能使重量最輕。

圖3 底板斷面

邊框和底板是電池模組的承載者，對強度要求比較高，所以一般都選用具有型腔的雙層斷面來保證強度，底板厚度一般為10 mm左右，壁厚2 mm。較少使用單層鋁板。6063-T6由于材質(zhì)偏軟，主要用于復雜斷面或者受力較小的零件。

2.2 連接設計

鋁合金電池包殼體的主要連接方式有攪拌摩擦焊接、MIG、拉鉚、壓鉚以及少量弧焊和膠粘。底板與底板、底板與邊框主要用攪拌摩擦焊連接。焊縫強度可達母材80%左右。攪拌摩擦焊接與普通熔焊方案相比較，具有以下突出的優(yōu)點：（1）屬于固態(tài)焊接技術，焊接過程不存在焊接材料融化；（2）焊接接頭質(zhì)量好，焊縫為細晶鍛造組織結(jié)構(gòu)，沒有氣孔、裂紋、夾渣等缺陷；（3）不受焊縫位置的限制，可實現(xiàn)多種接頭形式的焊接；（4）焊接效率高，在0.4～100 mm厚度范圍內(nèi)可以實現(xiàn)單焊道焊接成型；（5）焊件中殘余應力低，變形小，可實現(xiàn)高精度焊接；（6）接頭強度高、疲勞性能好，沖擊韌性優(yōu)異；（7）焊接成本低，沒有焊接過程消耗，不需要填絲和保護氣體；（8）焊接操作簡單，便于實現(xiàn)自動化焊接[2]。

圖4為底板型材攪拌摩擦焊接接頭，底板與底板之間采用板對接接頭雙面焊接[3]。雙面焊接強度高，變形小。在攪拌摩擦焊接過程中會對工件有一個很大的下壓力，所以就需要增加型腔內(nèi)筋和圓角厚度，焊接深度越大，筋和圓角就越大。表1為焊接厚度與型材尺寸的對應關系。

圖4 底板斷面

表1 焊接厚度與型材厚度對應關系

邊框和底板之間主要有兩種連接方式：一是雙面攪拌摩擦焊接；二是外部攪拌摩擦焊接和內(nèi)部弧焊+涂膠。兩種不同的連接方式采用的鋁合金接頭也不一樣。圖5是邊框與底板雙面攪拌摩擦焊接接頭形式。為給攪拌頭預留出足夠的空間，邊框與底板連接處伸出長度要足夠長，避免邊框和攪拌頭干涉，以免增加邊框型材的尺寸和擠壓難度。但雙面焊接強度高、變形小，這也是它的主要優(yōu)勢。圖6為外側(cè)攪拌摩擦焊接+內(nèi)側(cè)MIG焊接。底板外側(cè)需搭接在型材邊框上，且型材邊框搭接處應做成實心，滿足攪拌摩擦焊接要求，給焊接提供支撐力；內(nèi)側(cè)則采用MIG焊接，視情況選擇滿焊或者斷續(xù)焊接。此種連接方式效率高、難度小、成本低，但是因為內(nèi)部采用了弧焊，焊縫可能有漏水的風險，所以還要再涂一遍密封膠來保證密封性，這也是它的一個弊端。

圖5 邊框與底板雙面攪拌摩擦焊接圖

圖6 邊框與底板外部攪拌摩擦焊接+內(nèi)部MIG焊接

2.3 密封設計

由于整車行駛環(huán)境的復雜性，尤其是電池包安裝在車輛底盤下方或者位置較低的區(qū)域，當電動車輛遇到涉水、暴雨等危險工況時，可能會因水汽的侵襲導致電池的電氣故障、短路、漏電等危害，因此必須為電池系統(tǒng)提供防水、防塵的環(huán)境。電池包的密封性直接影響到電池系統(tǒng)的工作安全，從而影響到電動車輛的使用安全。通常電池包密封防護等級要求達到IP67才能保證電池包密封防水，這樣電池組才不會因為進水而短路[4]。

鋁合金電池包殼體的底板與底板之間宜采用攪拌摩擦焊接。由于攪拌摩擦焊接屬于固相連接技術，在焊接過程中金屬基材不融化，因此相比熔化焊接減少了氣孔、裂紋等缺陷的發(fā)生率[5]。所以為了較好地保證密封性，焊接應優(yōu)先選用此種焊接方式。

如果邊框與底板內(nèi)部采用弧焊，則需要涂焊縫密封膠來保證密封性。殼體與上蓋之間雖然采用發(fā)泡硅膠來保證密封，但是連接的標準件自身也要保證其密封性，殼體法蘭一般采用M5拉鉚螺母。目前已有廠家生產(chǎn)可以專門用于電池包的防水密封的表面帶膠的拉鉚螺母，通過拉鉚螺母塑性變形，使膠起到密封作用。前端使用的盲孔壓鉚螺母，由于自身具有一定的密封效果，且外部附件也有密封圈，所以不再做單獨處理。如發(fā)現(xiàn)泄漏，可以進行涂膠處理。

2.4 電池包殼體鋼與鋁合金的重量對比

鋁的密度約是鋼的1/3，是輕量化的理想材質(zhì)。表2為某款鋼質(zhì)電池包殼體鋁化的情況。從表2數(shù)據(jù)可知，減重效果達到26.7%。電池包殼體的鋁代鋼不僅可以提升電池包能量密度，也增加了車輛續(xù)航里程。

表2 鋼與鋁合金電池包殼體重量對比

3 仿真分析

根據(jù)GB/T 31467.3—2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第三部分：安全性要求與測試方法，對鋁合金電池包殼體強度、振動、擠壓等方面進行仿真分析[6]。圖7為某鋁合金電池包殼體仿真分析結(jié)果。其中圖7（a）3G向前工況應力最大值為29.4 MPa，圖7（b）振動應力最大值為55.98 MPa，最大值均小于6005A屈服強度215 MPa，圖7（c）擠壓最大位移7.081 mm，電池模組安全距離為10 mm（每個電池包結(jié)構(gòu)不同，安全距離也會不同，需要客戶確認），滿足要求。

圖7 鋁合金電池包殼體仿真分析結(jié)果

4 結(jié)論

（1）6061-T6和6005A兩種材質(zhì)的性能均可以較好地滿足設計要求。

（2）擠壓斷面結(jié)構(gòu)的一體化雖然加工量大且成本高，但有利于電池包強度的提高，可綜合考慮。

（3）攪拌摩擦焊接在保證焊縫強度的同時還可以保證密封性，是電池包殼體的最佳焊接方式。

（4）標準件選用具有防水功能的拉鉚螺母。

（5）型材拼焊的鋁合金電池包殼體具有成本低、減重效果好等特點，減重效果在25%以上，可應用于新能源汽車上，提高電池包能量密度，延長續(xù)航里程。