新能源汽车动力电池轻量化技术与应用趋势分析：铝合金与高强钢的竞争

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编者注

铝合金轻量化发展应用趋势清晰明确，但成本因素仍制约其快速发展。这有利于高强度钢的低成本化，这体现在应用的回潮上。

[文/全文]新能源汽车动力电池的重量限制和能量密度要求相互矛盾。在车辆零部件子系统中，轻量化的需求尤为迫切。

在动力电池中，托盘占电池系统重量的20~30%，实际上是主要结构部件。因此，在保证电池功能安全的前提下，托盘的轻量化成为电池结构件的主要改进目标之一。

从材料的综合指标评价来看，铝合金材料首先能够满足包括电池系统在内的整车零部件的结构需求，并且仍然是替代部分钢结构的首选材料。

但高强度钢板本身也在走轻量化技术之路。因此，铝合金材料和轻量化高强钢板在选材道路上一直处于胶着状态。

铝钢相持中前行

由于符合节能、环保、产品轻量化的发展趋势，铝材一般是企业实现轻量化的主要解决方案。但轻量化并不是车企选择材料时唯一考虑的因素，成本也是。

毫无疑问，铝的轻量化效果最为明显，因此未来它的应用将会越来越广泛。铝合金虽然成本较高，但其优良的加工性能、低密度（铝合金的密度为2.7g/cm）、耐腐蚀、高可回收性等特点具有明显的优势，仍然是实现电气化。新能源汽车轻量化进程的重要标志。

Dak Global Consulting对北美汽车的平均铝消耗量进行了调查和预测。他们发现，自1996年以来，铝在汽车上的应用呈现出逐年增加的趋势，并从2012年开始攀升。2015年，汽车中的铝含量已达到400磅/辆（约181公斤/辆），按到 2020 年，每辆车的重量将超过 450 磅（约 204 公斤/辆车），到2028年将超过550磅/车（约249公斤/车）

当然，由于成本因素，铝合金在各种车型上的应用也有所不同。

早期的特斯拉应该是轻量化应用领域的激进者。一开始，从车身到电池系统结构，铝材料在Model S中占据了很大的比例。因为当时Model S的消费群体定位是针对豪华车客户。

下图显示了各种金属材料在世界知名汽车产品中的应用比例。黄色部分代表铝的应用现状。特斯拉 Model S 是铝含量最高的车型。

然而，其他热门车型所使用的最重要材料是具有成本优势的高强度钢。比如日产聆风、大众高尔夫、丰田普锐斯就更倾向于在高强度钢板和异型钢上做工。

可见，虽然铝合金轻量化的发展和应用趋势清晰明确，但成本因素仍然制约着其快速发展。这有利于高强度钢的低成本化，这体现在应用的回潮上。

特斯拉并不完全是一个技术狂人。考虑到成本因素，调整铝用量也是合理的技术行为。在Model 3的设计中，设计理念一改前期的“激进”和“豪华”。车身结构采用钢铝混合金属材料，减少了铝材的应用比例。

就连知名大众MEB平台的设计师也表示更喜欢低成本钢板，并表示新能源汽车不仅仅是“富人阶层的时尚”。

事实上，一种材料不能完全替代另一种材料。任何材料，无论从成本角度还是性能角度，都有自己的优势，并且是并行发展的。只能说一种材料在某一方面能更好地满足技术或市场发展的需要。

铝材料在新能源上的应用主要是基于轻量化、节能的需求。目前，以40KWh电池系统为例，如果采用钢结构，成本可控制在1000元以内；如果采用铝型材拼焊外壳结构，成本在3000-5000元之间。从成本比来看，铝合金仍是钢板的3至5倍。

在铝在新能源的推广应用中，成本因素仍然是一个绊脚石。不过，这并不妨碍技术的进步和发展。

但我们需要明确的是，现阶段，钢和铝的特性差异导致的设计差异有哪些？

电池托盘结构设计要求“因材施教”

钢和铝材料在强度、抗疲劳性、弹性模量、抗拉强度、抗压、抗剪、抗弯等特性参数方面存在很大差异。金属合金技术的使用确实在某些方面，比如强度性能方面，与纯铝相比，取得了非常显着的提升。然而，单一特性的强化并不代表本质特性的转移或彻底改变。特别是在车辆工程中，动载荷和静载荷下特性的差异更加明显。

因此，在结构设计上，虽然功能是完全相同的部件，但铝合金结构不能等同于钢结构设计。

长期以来，国内新能源汽车设计一直不前卫。车身结构或平台是由燃油车过渡而来。车身结构并没有太多适应性的改变和设计。此时的设计，电池托盘与机身的固定位置和形式，只能随波逐流。

然而，随着新能源市场的扩大和普及，电池系统的功能安全性日益受到重视。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，出现产品吊耳开裂、IP不合格、内部模块结构故障导致电气性能失效等情况，都是托盘吊耳结构设计不合理直接或间接造成的主要原因之一。

电池本体的密度非常高。作为承载电池模块的电池托盘或外壳，其始终处于重负载状态。铝的疲劳性能仅为钢的一半，弹性模量仅为钢的三分之一。

如果托盘吊耳的承载能力超过极限，或者不同吊耳之间的应力差异较大且不均匀，则车辆在面对复杂路况时动力性能会更差。铝材料在高振动和高应力集中条件下更容易疲劳，导致开裂和变形。

因此，托盘在吊耳和内框梁结构处出现裂纹等故障，甚至模块固定点脱落也就不足为奇了。

托盘的铝吊耳固定点数量应较多且排列均匀，如下图奥迪e-tron铝托盘案例所示。

不仅如此，将电池模块与承载托盘整合在一起也不是一件容易的事。它能够经受振动实验的考验，也是检验设计结果的最佳方式。在实验过程中，我们经常会遇到内框架与托盘焊接处出现裂纹，以及内框架支撑梁出现裂纹的情况。

初步分析开裂原因：

奥迪的电池托盘设计就是一个很好的例子。黄色箭头表示压力状态。内部统一的框架让压力得到合理的释放。同时与外框的吊眼孔相对应，使内外结构浑然一体。同时，它还可以抵抗外部碰撞的损坏。

托盘设计的灵魂：铝外框横梁强度设计

前面提到，托盘结构设计内外一体，外框设计也非常重要。

从材料性能参数来看，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抗拉强度分别为30-500 N/sq mm和79-570 N/sq mm。钢材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，两侧的外框A是电池系统Z向矢量的第一个载体；前后外框架B主要承受来自X方向的矢量载荷。因此，在托盘吊耳的位置或结构设计时，必须考虑这个因素。

同时，铝的弹性模量比钢差。这个特性也很重要，与结构材料的疲劳或寿命有关。

汽车用铝合金应用主要有5×××系列（Al-Mg系列）6×××系列（Al-Mg-Si系列）等。据了解，铝托盘主要采用6系铝型材（材料的应用还需要进一步分析和探索）。

电池铝托盘常用的几种结构型式

铝电池托盘由于重量轻、熔点低，一般有几种形式：压铸铝托盘、挤压铝合金框架、铝板拼焊托盘（外壳）、模压上盖等。

压铸铝托盘的结构特点更具有一次性压铸的特点，减少了托盘结构焊接带来的材料烧损和强度问题，整体强度特性较好。

这种结构的托盘的框架结构不明显，但整体强度可以满足电池的容纳要求。常见于小型能源电池系统结构。奥迪 A3 压铸托盘如下图所示。

挤压铝拼焊框架结构比较常见，也是一种比较灵活的结构。通过不同铝型材的拼焊和加工，可以满足各种能源需求。同时，设计易于修改，所用材料也易于调整。

从成本角度来看，挤压铝拼焊框架结构比压铸铝托盘具有一定的优势。当然，根据量产数量的不同，还不能确定这种成本优势是否存在。

框架结构是托盘的一种结构形式，在之前的文章《三+6》中已经详细介绍过。框架结构更有利于轻量化并保证不同结构的强度。

铝电池托盘的结构形式也遵循框架结构设计形式：外框架主要完成整个电池系统的承载功能；内框架主要完成模块、水冷板等子模块的承载功能；内外框中间的防护面主要完成电池组与外界的隔离和保护，如碎石冲击、防水、隔热等。

下图为奥迪车架结构。每层结构承载着不同的功能。

概括

铝作为汽车轻量化的重要材料，必须立足全球市场，注重其长期可持续发展。同时，我们也要正确看待钢铝在车辆应用中成本因素和技术进步的差异。

在设计中正确应用铝需要更深入地了解材料的特性。尤其是对于重载电池托盘的应用，更需要我们不断探索，不断认识，不断积累应用经验，才能在轻量化应用中游刃有余，不断进步。