經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，中國已經(jīng)成為全球新能源汽車產(chǎn)銷量第一大國。隨著2019年國家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)的能量密度提出了更高的要求。

提高電池能量密度的途徑有兩種:一是提高單體電池的比能量；第二，電池組的結(jié)構(gòu)重量輕。提高單個電池單元的比能量在技術(shù)上是困難的，具有長的R&D周期和大的資金投入。相比之下，更容易實現(xiàn)電池組的輕量化結(jié)構(gòu)。

鋁合金在汽車上的應(yīng)用早已司空見慣。鋁合金具有密度低、比強度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性和導(dǎo)熱性好、無磁性、易成型、回收價值高等優(yōu)點，是電池組輕量化設(shè)計的理想材料。

目前電池組外殼材料的主流方案是擠壓鋁合金外殼+PP/玻璃纖維復(fù)合上蓋。

就目前的發(fā)展來看，鋁合金外殼和塑料上蓋的方案，輕量化前景較好。采用鋁擠壓型材+攪拌摩擦焊+MIG焊的方案，綜合應(yīng)用成本低，性能滿足要求，可實現(xiàn)水冷電池循環(huán)水道一體化。

上蓋采用非金屬，主要是PP/玻璃纖維+LFT-D成型工藝，既能提高生產(chǎn)效率，又能滿足火焰燃燒和密封性能的要求，模具成本低。

鋁合金電池外殼已經(jīng)在很多新能源汽車上使用，如比亞迪宋唐、蔚來ES8、北汽EV系列等。外殼可以提高電池組的能量密度，增加續(xù)航里程。因此，鋁合金電池組外殼具有廣闊的市場前景。

1鋁合金電池組外殼結(jié)構(gòu)

典型的鋁合金拼焊電池組外殼如圖1所示。外殼主要由鋁合金型材框架和鋁合金型材底板組成，由6系擠壓型材焊接而成。

為了保證焊接強度和緊密性，選用低應(yīng)力、小變形的攪拌摩擦焊。一般適用于鋁合金型材的標(biāo)準(zhǔn)件有鋼絲螺套、鉚螺母、鉚螺母。

除了標(biāo)準(zhǔn)件，其余都是100%鋁合金。外殼強度高，重量輕，耐腐蝕性好。

2設(shè)計方案介紹

2.1截面結(jié)構(gòu)和材料

并且邊框和底板為鋁合金擠壓型材，材質(zhì)一般為6061-T6(屈服強度240 MPa，抗拉強度260MPa)、6005A-T6(屈服強度215 MPa，抗拉強度255 MPa)、6063-T6(屈服強度170 MPa，抗拉強度215 MPa)等。根據(jù)斷面復(fù)雜程度、成本、模具消耗等因素。

這些材料的強度為:6061-T6 > 6005a-T6 > 6063-T6，同一斷面的擠壓難度為:6061-T6 > 6005a-T6 > 6063-T6。

車架的加工方案主要有兩種:一是整體型材擠壓，然后機加工。零件整體性好，強度有保證，但加工量大，成本高；另一種方法是分段焊接。這種方法成本較低，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，要綜合考慮，選擇最佳設(shè)計方案。

選擇6005A-T6材料是因為其截面尺寸大，厚度僅為2mm。如果鋼絲螺套需要安裝在上部，上腔可以做成實心的。

非安裝部分可以通過數(shù)控設(shè)備拆卸，可以在保證強度的同時使重量最輕。

并且框架和底板是電池模塊的載體，需要高強度。因此，一般采用帶空腔的雙層截面，以保證強度。底板厚度一般在10mm左右，壁厚2mm。較少使用單層鋁板。

由于6063-T6的材質(zhì)較軟，主要用于截面復(fù)雜或應(yīng)力較小的零件。

2.2連接設(shè)計

鋁合金電池組外殼的主要連接方式有:攪拌摩擦焊、MIG、鉚接、鉚接以及少量的電弧焊和膠接。

底板、底板和框架主要通過攪拌摩擦焊連接。焊接強度可達(dá)到母材的80%左右。

與普通熔焊方案相比，摩擦焊具有以下突出優(yōu)點:

屬于固體焊接技術(shù)，焊接過程中不存在焊接材料的熔化；

焊接接頭質(zhì)量良好，焊縫為細(xì)晶鍛造組織，無氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。

不受焊縫位置的限制，可實現(xiàn)多種接頭形式的焊接；

焊接效率高，可在0.4-100 mm的厚度范圍內(nèi)實現(xiàn)單道焊接成型；

焊接部位殘余應(yīng)力低，變形小，可實現(xiàn)高精度焊接；

接頭具有高強度、良好的疲勞性能和優(yōu)異的沖擊韌性；

焊接成本低，無焊接工藝消耗，無需填絲和保護(hù)氣體；

焊接操作簡單，便于實現(xiàn)自動焊接。

在攪拌摩擦焊過程中，工件上會產(chǎn)生很大的下壓力，因此需要增加型腔中筋條和圓角的厚度。焊接深度越深，肋和圓角就越大。

框架與底板的連接方式主要有兩種:一種是雙面攪拌摩擦焊；第二，外部攪拌摩擦焊和內(nèi)部電弧焊+膠合。

兩種不同連接方式所用的鋁合金接頭也不同。

帶底板的雙面攪拌摩擦焊接頭。給攪拌頭留出足夠的空間，框架與底板連接處的伸出長度要足夠長，避免框架與攪拌頭發(fā)生干涉，以免增加框架型材的尺寸和擠壓難度。但是雙面焊接強度高，變形小，這也是它的主要優(yōu)勢。

外部攪拌摩擦焊+內(nèi)部MIG焊。底板外側(cè)應(yīng)搭接在型材框架上，型材框架搭接部分應(yīng)做成實心的，以滿足攪拌摩擦焊的要求，并為焊接提供支撐；內(nèi)側(cè)采用MIG焊，根據(jù)情況選擇全焊或間歇焊。

這種連接方式效率高，難度低，成本低。但由于采用內(nèi)弧焊，焊縫可能存在漏水風(fēng)險。所以要重新涂密封膠，保證密封性，這也是它的缺點之一。

2.3密封設(shè)計

由于整車行駛環(huán)境的復(fù)雜性，尤其是安裝在車輛底盤下方或較低區(qū)域的電池組，當(dāng)電動汽車遇到涉水、暴雨等危險工況時，可能會因水汽的侵入而造成電池的電氣故障、短路、泄漏等危害，因此需要為電池系統(tǒng)提供防水防塵的環(huán)境。

電池的密封性直接影響電池系統(tǒng)的工作安全，從而影響電動車的使用安全。

一般情況下，電池組的密封防護(hù)等級必須達(dá)到IP67才能保證電池組的密封防水，這樣電池組就不會因為進(jìn)水而短路。

鋁合金電池組外殼底板與底板之間應(yīng)采用攪拌摩擦焊。由于摩擦攪拌焊接是一種固相結(jié)合技術(shù)，金屬基材在焊接過程中不會熔化，因此與熔焊相比，諸如氣孔和裂紋等缺陷的發(fā)生率降低。所以為了保證密封性，應(yīng)該首選這種焊接方式。

如果框架和底板之間采用電弧焊，則必須涂上焊接密封劑以確保密封性。雖然采用了發(fā)泡硅膠來保證殼體與上蓋之間的密封，但也要保證連接的標(biāo)準(zhǔn)件的密封，殼體法蘭一般采用M5鉚螺母。

目前已經(jīng)有廠家生產(chǎn)出表面帶膠的鉚螺母，可以專門用于電池組的防水密封。通過鉚螺母的塑性變形，膠水起到密封作用。

前端使用的盲鉚螺母有一定的密封作用，外部附件也有密封圈，不再單獨處理。

如果發(fā)現(xiàn)泄漏，可以使用膠水。

2.4電池組外殼鋼和鋁合金的重量比較

鋁的密度約為鋼的1/3，是輕量化的理想材料。

表2顯示了鋼電池組外殼的鋁化。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，減肥效果達(dá)到26.7%。電池組外殼用鋁代替鋼，不僅可以提高電池組的能量密度，還可以增加車輛的續(xù)航里程。

3模擬分析

根據(jù)GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力電池組及系統(tǒng)第三部分:安全要求和試驗方法》，對鋁合金電池組外殼的強度、振動和擠壓進(jìn)行了仿真分析。

4經(jīng)驗結(jié)論

1.6061-T6和6005A的性能滿足設(shè)計要求。

2.擠壓型材結(jié)構(gòu)一體化雖然加工能力大，成本高，但有利于電池組強度的提高，可以綜合考慮。

3.攪拌摩擦焊是電池組外殼的最佳焊接方法，既能保證焊縫的強度，又能保證密封性。

4.標(biāo)準(zhǔn)件選用具有防水功能的鉚螺母。

5.本發(fā)明具有成本低、減重效果好等特點。，減重效果超過25%。可應(yīng)用于新能源汽車，提高電池組能量密度，延長續(xù)航里程。