新能源汽車動力電池,因自身重量缺陷和能量密度需求矛盾,在整車零件子系統(tǒng)中,輕量化需求顯得尤為迫切。
在動力電池中,托盤占去了電池系統(tǒng)重量的20~30%,實(shí)為主要結(jié)構(gòu)件。因此在保證電池功能安全前提下,托盤的輕量化就成為電池結(jié)構(gòu)件主要改進(jìn)目標(biāo)之一。
從材料綜合指標(biāo)評估來看,鋁合金材質(zhì),首先能滿足車輛零部件包括電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需求,仍然是替代部分鋼結(jié)構(gòu)的 材料。
不過,高強(qiáng)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(qiáng)鋼板在材料選用的道路上一直呈現(xiàn)出膠著前行的狀態(tài)。
膠著前行的鋁和鋼
由于順應(yīng)了產(chǎn)品的節(jié)能、環(huán)保、輕量化發(fā)展趨勢,鋁一般都是企業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的主要方案。但是輕量化并非是車企選材時(shí)的唯 一考量因素,成本亦是。
毋庸置疑,鋁輕量化效果 明顯,因而在未來也將得到越來越廣泛的應(yīng)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(xiàn)電動化的新能源汽車輕量化進(jìn)程的重要標(biāo)志。
達(dá)克全球咨詢對北美車均鋁用量進(jìn)行了調(diào)研和預(yù)測,它們發(fā)現(xiàn)從1996年以來,鋁在車輛中應(yīng)用呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢,且自2012年開始出現(xiàn)攀升態(tài)勢。2015年時(shí)車用鋁含量已經(jīng)達(dá)到400磅/輛(約合181kg/輛),到2020年則超過450磅/輛(約合204kg/輛),到2028年突破550磅/輛(約合249kg/輛)
當(dāng)然,受制于成本因素,鋁合金在各個車型上應(yīng)用,也不盡相同。
早期的特斯拉,應(yīng)該是輕量化應(yīng)用的激進(jìn)者。初時(shí),Model S從車身到電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu),鋁材料占比均很大。因?yàn)?,Model S當(dāng)時(shí)的消費(fèi)群體定位,是針對豪華客戶。
特斯拉Model S是鋁含量 高的車型。
但其他大眾化車型選用材料中分量 高的卻是享有成本優(yōu)勢的高強(qiáng)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(qiáng)鋼板和異形鋼下功夫。
由此可見,盡管鋁合金輕量化發(fā)展應(yīng)用趨勢是清晰和明朗的,但是成本因素仍在制約著它大踏步向前發(fā)展。這反倒有利于低成本的高強(qiáng)鋼,具體表現(xiàn)為應(yīng)用回潮。
特斯拉不全是技術(shù)的瘋狂者,考慮成本因素,調(diào)整鋁用量也是合理的技術(shù)行為。在Model 3設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)思路一改前期的“激進(jìn)”“豪華”,車身架構(gòu)采用鋼鋁混合金屬材質(zhì),降低了鋁的應(yīng)用占比。
就連名噪遠(yuǎn)播的大眾MEB平臺的設(shè)計(jì)者們,也表明要選低成本的鋼板,并且表示新能源車輛不僅僅是“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,并行發(fā)展的。只能說,一種材料,在某一方面,能更好的符合技術(shù)或市場發(fā)展需要而已。
鋁材料在新能源的應(yīng)用,主體還是輕量化需求、節(jié)能需求。目前,以40KWh的電池系統(tǒng)為例,如果采用鋼材結(jié)構(gòu),其成本可以控制在1千元以內(nèi);如果采用鋁型材拼焊殼體結(jié)構(gòu),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(yīng)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(xiàn)階段,鋼、鋁特性差異帶來的設(shè)計(jì)差異有哪些呢?
電池托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更需“因材施教”
鋼、鋁材質(zhì)在強(qiáng)度、抗疲勞、彈性模量、抗拉、抗壓、抗剪、抗彎等特性參數(shù)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(qiáng)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(qiáng)化,并不代表本質(zhì)特性轉(zhuǎn)移和完全變化。尤其在車輛工程中,動、靜態(tài)載荷下,特性差異,表現(xiàn)的更加明顯。
所以說,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,盡管功能是完全相同的零件,鋁合金結(jié)構(gòu)也不能等同于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
長期以來,國內(nèi)新能源車輛并非正向設(shè)計(jì)。車身結(jié)構(gòu)或平臺,都是從燃油車過渡而來。車身結(jié)構(gòu),并沒有做太多適應(yīng)性改動和設(shè)計(jì),這個時(shí)候的設(shè)計(jì),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(tǒng)的功能安全越來越被重視,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),無法滿足新的功能需求。
對于前期生產(chǎn)的新能源產(chǎn)品,在客戶使用過程中,產(chǎn)品吊耳開裂、IP失效、內(nèi)部模組結(jié)構(gòu)失效帶來電性能失效等等故障,托盤吊耳位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fù)雜的路況,動態(tài)性能更加惡劣。鋁材質(zhì)在高振動、高應(yīng)力集中狀態(tài)下,更容易出現(xiàn)疲勞狀態(tài),導(dǎo)致開裂、變形。
所以說,托盤在吊耳位置、內(nèi)框架梁結(jié)構(gòu),出現(xiàn)開裂等故障現(xiàn)象,甚至模組固定點(diǎn)脫落現(xiàn)象,也就不足為奇了。
托盤的鋁制吊耳固定點(diǎn)應(yīng)數(shù)量多,而且布置均勻。
不僅如此,做到電池模組和承載的托盤渾然一體,也不是一件容易的事。經(jīng)得起振動實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn),也是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的 好辦法。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中,經(jīng)常會碰到內(nèi)框架與托盤焊接的開裂、內(nèi)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(diǎn)應(yīng)力超過了材料本身所能承載應(yīng)力或應(yīng)力集中。
從工藝角度,材料焊接時(shí),導(dǎo)致的燒損,改變或削弱了材料的參數(shù)特性。
從結(jié)構(gòu)角度,開裂的支撐梁是否和內(nèi)框架結(jié)構(gòu)是一個整體。整體結(jié)構(gòu),更有利于應(yīng)力分散和應(yīng)力均勻、振動頻率一致。
Audi的電池托盤設(shè)計(jì),就是很好的案例。黃色箭頭是受力的狀態(tài),內(nèi)部通過均勻的框架,讓應(yīng)力得到合理的釋放,同時(shí)與外部框架吊耳孔對應(yīng),讓內(nèi)外結(jié)構(gòu)渾然一體。同時(shí),也能抵御來自外部碰撞的破壞。
托盤設(shè)計(jì)靈魂:鋁外框架梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)
前面提到托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)外渾然一體,外框架設(shè)計(jì)也是非常重要的。
從材料特性參數(shù)角度,鋁的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于鋼。
鋁及其合金的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別為30-500 N/sq mm和79-570 N/sq mm。鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,分別在250-1000 N/sq mm和400-1250 N/sq mm范圍內(nèi)。
關(guān)系到托盤吊耳位置或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),就必須考慮這個因素。
同時(shí),鋁的彈性模量比鋼差,這個特性也是非常重要的,關(guān)系到結(jié)構(gòu)的材質(zhì)的疲勞或壽命。
車用鋁合金應(yīng)用主要包括5×××系(Al-Mg系)6×××系(Al-Mg-Si系)等等。據(jù)了解,鋁托盤主要采用6系鋁型材(材質(zhì)的應(yīng)用,還需進(jìn)一步分析和摸索)。
電池鋁托盤常用的幾種結(jié)構(gòu)類型
鋁電池托盤,因?yàn)槠渲亓枯p,熔點(diǎn)低特點(diǎn),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。
壓鑄鋁托盤結(jié)構(gòu)特征更多表現(xiàn)為一次壓鑄成型,減少了托盤結(jié)構(gòu)焊接帶來的材料燒損和強(qiáng)度問題,整體強(qiáng)度特性更好。
這種結(jié)構(gòu)的托盤,框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不明顯,但是,整體強(qiáng)度可以滿足電池承截要求。常見于小能量電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
擠壓鋁拼焊框架結(jié)構(gòu)比較多見,也是比較靈活的一種結(jié)構(gòu)。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(shí),易于修改設(shè)計(jì),易于調(diào)整所用材料。
從成本的角度,較之壓鑄鋁托盤,擠壓鋁拼焊框架結(jié)構(gòu)占有一定的優(yōu)勢。當(dāng)然,隨著量產(chǎn)數(shù)量的不同,這種成本優(yōu)勢是否存在,也不一定。
框架結(jié)構(gòu)是托盤的一種結(jié)構(gòu)形式,在前期“三+6”一文中,曾經(jīng)詳細(xì)作過描述??蚣芙Y(jié)構(gòu)更有利于輕量化,更利于不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度保證。
鋁電池托盤結(jié)構(gòu)形式,也沿襲了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式:外框體主要完成電池整個系統(tǒng)的承載功能;內(nèi)框體主要完成對模組、水冷板等子模塊的承載功能;在內(nèi)外框體的中間防護(hù)面,主要完成電池組與外界的隔離、防護(hù),例如,沙礫沖擊、防水、隔熱等等。
小結(jié)
鋁作為車輛輕量化的重要材料,必須立足全球市場,長期關(guān)注其可持續(xù)性發(fā)展。同時(shí),也要正確看待鋼、鋁在車輛應(yīng)用中的成本因素和技術(shù)進(jìn)步的區(qū)別。
鋁在設(shè)計(jì)中的正確應(yīng)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應(yīng)用,還需要不斷摸索,做到心中有數(shù),不斷積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),才能在輕量化的應(yīng)用中游刃有余,不斷進(jìn)步。