本帖最后由 远祥 于 2019-2-28 07:43 编辑6 N$ g7 @7 L; p. C! E2 N& ^
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铝在全球车辆产品应用中，比例逐年增长
铝作为轻量化特性应用，主要原因是，符合和顺应了产品的节能、环保、轻量化发展趋势。
下图是来自达克全球咨询的信息，铝在车辆中应用，逐年状态和发展趋势预测。
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近期，低成本高强钢应用回潮，是合理的市场行为
Tesla不全是技术的疯狂者，考虑成本因素，调整铝用量，也是合理的技术行为。在Model3设计中，设计思路一改前期的“激进”“豪华”，车身架构采用钢铝混合金属材质，降低了铝的应用占比。
就连名噪远播的大众MEB平台的设计者们，也表明要首选低成本的钢板，并且说，新能源车辆不仅仅是“富有阶层的时尚”。
其实，一种材料不可能完全替代另外一种材料。任何一种材料，不管是从成本角度、性能角度，都是各有所长，并行发展的。只能说，一种材料，在某一方面，能更好的符合技术或市场发展需要而已。
铝材料在新能源的应用，主体还是轻量化需求、节能需求。目前，以40KWh的电池系统为例,如果采用钢材结构,其成本可以控制在1千元以内；如果采用铝型材拼焊壳体结构,在3~5千元之间。成本比例，铝合金仍然是钢板材质的3~5倍。
铝在新能源的推广应用中，成本因素，仍然是一只拦路虎。但是，不妨碍技术的进步和发展。在现阶段，钢、铝特性差异，带来的设计差异有哪些呢？
钢、铝材质差异较大，电池托盘结构设计更需“因材施教”
钢、铝材质在强度、抗疲劳、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。采用金属合金技术，确实在某些方面，例如强度特性方面，较纯铝，获得非常显著的提升。但是，单一特性的强化，并不代表本质特性转移和完全变化。
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。
所以说，在结构设计中，尽管功能是完全相同的零件，铝合金结构也不能等同于钢结构设计。列举几个方面，加以阐述。
电池托盘吊耳结构位置设计，被动迎合车身结构，难以满足强度需求
长期以来，国内新能源车辆并非正向设计。车身结构或平台，都是从燃油车过渡而来。车身结构，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普及，电池系统的功能安全越来越被重视，这种结构设计，无法满足新的功能需求。
对于前期生产的新能源产品，在客户使用过程中，产品吊耳开裂、IP失效、内部模组结构失效带来电性能失效等等故障，托盘吊耳位置结构设计的不合理，都是直接或间接的主要原因之一。
托盘吊耳固定点设计的合理性
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，一直是处在重载荷状态之中。铝的疲劳性能只有钢的一半；铝的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、不均匀，面对车辆复杂的路况，动态性能更加恶劣。铝材质在高振动、高应力集中状态下，更容易出现疲劳状态，导致开裂、变形。
所以说，托盘在吊耳位置、内框架梁结构，出现开裂等故障现象，甚至模组固定点脱落现象，也就不足为奇了。
如下图Audi e-tron铝托盘案例所示，不仅固定点数量多，而且布置均匀。
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托盘吊耳固定点设计合理，内外框架结构“浑然一体”
如果做到电池模组和承载的托盘浑然一体，不是一件容易的事。首先经得起振动实验的考验，也是检验设计结果的最好办法。
在实验进行中，经常会碰到内框架与托盘焊接的开裂、内框架支撑梁体开裂。开裂原因初步分析：
从材料特性分析，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。
从结构角度，开裂的支撑梁是否和内框架结构是一个整体。整体结构，更有利于应力分散和应力均匀、振动频率一致。
Audi的电池托盘设计，就是很好的案例。黄色箭头是受力的状态，内部通过均匀的框架，让应力得到合理的释放，同时与外部框架吊耳孔对应，让内外结构浑然一体。同时，也能抵御来自外部碰撞的破坏。
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铝外框架梁强度设计是托盘设计灵魂
前面提到，托盘结构设计的内外浑然一体，其中，外框架设计是非常重要的。
从材料特性参数角度，铝的屈服强度和抗拉强度均低于钢
铝及其合金的屈服强度和拉伸强度分别为30-500 N/sq mm和79 -570 N/sq mm。钢的屈服强度和抗拉强度，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,主要承载来自X向的矢量载荷。所以说，关系到托盘吊耳位置或结构设计，就必须考虑这个因素。
同时，铝的弹性模量比钢差，这个特性也是非常重要的，关系到结构的材质的疲劳或寿命。
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车用铝合金应用主要包括5×××系（Al-Mg系）6×××系（Al-Mg-Si系）等等。据了解，铝托盘主要采用6系铝型材（材质的应用，还需进一步分析和摸索）。
电池铝托盘常用的几种结构类型
对于铝电池托盘，因为其重量轻，熔点低特点，一般有几种形式：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
更多结构特征是一次压铸成型，更多减少了托盘结构焊接带来的材料烧损和强度问题，整体强度特性更好。
这种结构的托盘，框架结构特点不明显，但是，整体强度可以满足电池承截要求。常见于小能量电池系统结构。如下图的Audi A3压铸托盘。
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挤压铝拼焊框架结构
这种结构比较多见。也是比较灵活的一种结构。通过不同铝型材的拼焊、加工，可以满足各种能量大小的需求。同时，易于修改设计，易于调整所用材料。从成本的角度，我觉得，较压铸铝托盘，占有一定的优势。当然了，随着量产数量的不同，这种成本优势是否存在，也不一定。
框架结构是托盘的一种结构形式
在前期 “三+6”一文中，曾经详细作过描述。框架结构更有利于轻量化，更利于不同结构的强度保证。
对于铝电池托盘结构形式，也沿袭了框架结构设计形式：外框体主要完成电池整个系统的承载功能；内框体主要完成对模组、水冷板等子模块的承载功能；在内外框体的中间防护面，主要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 的框架结构示意。每一层结构，承载了不同的功能。
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小结
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铝作为车辆轻量化的重要材料，必须立足全球市场，长期关注其可持续性发展。同时，也要正确看待钢、铝在车辆应用中的成本因素和技术进步的区别。
铝在设计中的正确应用，需要对材质特性的更深的理解。特别是针对重载荷的电池托盘应用，还需要不断摸索，做到心中有数，不断积累应用经验，才能在轻量化的应用中游刃有余，不断进步。
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发表于 2019-2-28 12:44:21
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