鋁合金電池包（bāo）殼體結構設計及連接工藝

經過近幾年的快速發展，中國已經成為全球（qiú）新能源（yuán）汽車產銷量第一大國。隨著2019年國家新能源汽車補貼政（zhèng）策（cè）的（de）出台（tái）和續航裏（lǐ）程要求的提高，對電池係（xì）統的能量密（mì）度提出了更高的要求。

提（tí）高電池（chí）能量密度的途徑有兩種:一（yī）是提高單體電池的比能量；第二，電池組的結構重量輕。提高單個電（diàn）池單元的比能（néng）量在技術上是困難（nán）的，具有長的R&D周期（qī）和大的資金（jīn）投入（rù）。相比之下，更（gèng）容易實現電池（chí）組的輕量化結構。

鋁合金在汽車上（shàng）的應用早（zǎo）已司空見慣。鋁合金具有密度低、比強度高、熱穩定性好、耐腐蝕性和導熱性好、無磁性、易成型、回收價值高等（děng）優（yōu）點，是電池組輕量（liàng）化設計的理想材料。

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

就目前的（de）發展（zhǎn）來看，鋁（lǚ）合金外殼和塑（sù）料上蓋的方案，輕（qīng）量化前景較好。采用鋁擠壓型材+攪拌摩擦焊+MIG焊的方案，綜合應用成本低，性能滿足要求，可實現水冷電（diàn）池（chí）循（xún）環水道一體化。

上蓋（gài）采用非金屬（shǔ），主要是（shì）PP/玻（bō）璃纖維+LFT-D成型工藝（yì），既能提高生產效率，又能滿足（zú）火焰燃燒和密封性能的要求，模具成本低。

鋁合金電池外（wài）殼已經在很多新能源汽車（chē）上（shàng）使用（yòng），如（rú）比（bǐ）亞（yà）迪宋唐、蔚來ES8、北汽EV係列等。外殼可以提高電池組的能量密度，增加續航裏程。因此，鋁合金（jīn）電（diàn）池組外殼具有廣闊的市場前景。

1鋁（lǚ）合金電池組外殼結構

典型的鋁合金拚焊電池組外殼如圖1所示。外殼主要由（yóu）鋁合金型材框（kuàng）架和鋁合金型材底板組成，由6係擠壓型材焊接而（ér）成。

為了保證焊接強度和緊密性，選用低應力、小變形的攪拌摩擦焊。一般適用於鋁合（hé）金型材的標（biāo）準件有鋼絲螺套、鉚螺母、鉚螺母。

除（chú）了標準件，其餘都是100%鋁合金（jīn）。外殼強度高，重量（liàng）輕，耐腐（fǔ）蝕性好。

2設（shè）計方案介紹

2.1截麵結構和材料

並且邊框和底板為鋁合金擠（jǐ）壓型材，材質一般為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。根據斷麵複雜程度、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（yī）斷麵的擠壓難度為:6061-T6 > 6005a-T6 > 6063-T6。

車架的加工方案（àn）主要有兩種:一是整體（tǐ）型材擠壓，然後機加工。零（líng）件（jiàn）整體性好（hǎo），強度有保證，但加工（gōng）量大（dà），成本高；另一種方法是分（fèn）段焊接。這種方法成本（běn）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（xuǎn）擇最佳設計方案。

選擇（zé）6005A-T6材料是因為其截麵尺（chǐ）寸大，厚度僅為2mm。如果鋼絲螺套需要安裝在上部，上腔可（kě）以做成實心的。

非安裝部（bù）分（fèn）可以通（tōng）過數控設備拆卸，可以在保（bǎo）證強度的同時使重量最輕。

並且框架和底板是電池模塊的載體，需要高強度（dù）。因此，一般采用帶空腔的雙（shuāng）層截麵，以保證（zhèng）強度。底（dǐ）板厚度一般在10mm左右，壁厚2mm。較（jiào）少使（shǐ）用單層鋁板。

由於6063-T6的材質較軟，主要用於（yú）截麵複雜或應力較小的零件。

2.2連接設計

鋁合金電池組（zǔ）外殼的主要（yào）連接方式（shì）有:攪拌摩擦焊、MIG、鉚接、鉚接以及（jí）少量的（de）電弧焊和膠接。

底（dǐ）板、底板和框架主要通過攪拌摩擦焊連接。焊接強度可達到母材（cái）的80%左右。

與普通熔焊方案相比，摩擦（cā）焊具有以下突出（chū）優點:

屬於固體焊接技術，焊（hàn）接過（guò）程中不存在焊接（jiē）材料的（de）熔化；

焊接接頭質量良好，焊縫為（wéi）細晶（jīng）鍛造組織，無氣孔、裂紋、夾（jiá）渣等缺陷。

不受焊縫位置的限製（zhì），可實現多種接頭形式的焊接（jiē）；

焊接效率高，可在0.4-100 mm的厚度範圍（wéi）內實現單道焊接成型（xíng）；

焊接部位殘餘應力低，變形小，可實現高精度焊接；

接頭具有高強度、良好（hǎo）的疲勞性能和優異的衝擊韌性；

焊接成本低，無焊接工藝消耗，無需填絲和保護氣體；

焊接操（cāo）作簡單，便於實現自動焊接。

在攪拌摩擦焊過程中，工件上會（huì）產生很大的下（xià）壓（yā）力（lì），因此需要增加型腔中筋條和圓角的厚度。焊接深度（dù）越深（shēn），肋和圓角就越大。

框架與底（dǐ）板的連接方式主要有兩種:一種是雙麵攪拌摩擦焊；第二，外部攪拌摩擦焊和內部電弧焊+膠（jiāo）合。

兩種不同連接方式所用的鋁合金（jīn）接（jiē）頭也不同。

帶底板的雙麵攪（jiǎo）拌摩（mó）擦焊接頭。給攪拌頭留出足夠的空間，框（kuàng）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生（shēng）幹涉，以免增加框架型材的尺寸和擠壓難度。但是雙麵焊接強度高，變（biàn）形小，這也是它的主要優勢。

外部攪拌摩擦焊+內（nèi）部MIG焊。底板外側應搭接在型材框架上，型材（cái）框架搭接部分應做成實心的，以滿足攪（jiǎo）拌摩擦焊的要求，並為焊接提供支撐；內側采用MIG焊（hàn），根據情況選擇全（quán）焊或（huò）間歇焊。

這種連接方式效率高，難度低，成本低。但由於采用內（nèi）弧焊（hàn），焊縫可能存在漏水風險。所以（yǐ）要（yào）重新塗（tú）密封膠，保證密封性，這也是它的缺點之一。

2.3密封設計

由於整（zhěng）車行駛環境的複雜性，尤其是安裝在車輛底盤下方或較低區域（yù）的電池組，當電動汽（qì）車遇到（dào）涉水、暴雨等危險工況時，可能會因水（shuǐ）汽的侵入而造（zào）成電池的（de）電氣故障、短路、泄漏等危害，因此（cǐ）需要為電池係統提供防水防塵的環境。

電池的密（mì）封性直接影響電池係統的工（gōng）作安（ān）全，從而影響電動（dòng）車的使用安全（quán）。

一般情況下，電（diàn）池組的密封防護等級必須達到IP67才能（néng）保證電池組的（de）密封防水，這樣電（diàn）池組就不會因為進水而短路。

鋁合金電池組外殼底板（bǎn）與底板之間應采用（yòng）攪拌摩（mó）擦焊。由於摩擦攪拌焊接是（shì）一種固相結合技術，金屬基材在焊接過程中不會熔化，因此與熔焊相比（bǐ），諸如氣（qì）孔和裂紋（wén）等缺陷的發生率降低（dī）。所以（yǐ）為了保證密封性，應該首選這種焊接方式。

如果框架和底板之（zhī）間采用電弧（hú）焊，則必須塗上焊接密封劑以確保密封性。雖然采用了發泡矽膠來保證殼體與上蓋之間的密封，但也要保證連接的標準件的密封，殼體法蘭一般采用M5鉚螺母。

目前已經有（yǒu）廠家生產出表麵帶膠的鉚螺母，可以專門用於電池組的防水密封。通過鉚螺母的塑性變形，膠水（shuǐ）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（yě）有密封（fēng）圈，不再單獨處理。

如果發現泄（xiè）漏，可以使用（yòng）膠水（shuǐ）。

2.4電池組外殼鋼和（hé）鋁合金的重量比較

鋁的密度約（yuē）為鋼的（de）1/3，是輕量化（huà）的理想材料。

表2顯（xiǎn）示了鋼電池組（zǔ）外殼的鋁化。根據表2中的（de）數據，減（jiǎn）肥效果達到26.7%。電（diàn）池組外殼用鋁代替鋼，不僅可以（yǐ）提高電（diàn）池組的能量密度，還可以增加（jiā）車輛的續航裏程。

3模擬分（fèn）析

根據GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力電池組（zǔ）及係（xì）統第三（sān）部分:安全要求和試驗方法》，對（duì）鋁（lǚ）合（hé）金電池組外殼的強度、振（zhèn）動（dòng）和擠壓進行了（le）仿真分（fèn）析。

4經驗結論

1.6061-T6和6005A的性能滿足設計要求。

2.擠壓型（xíng）材結構一體化雖然加工能力大，成本高，但有利於電池組強（qiáng）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（jiā）焊（hàn）接方法，既能保證焊縫的強（qiáng）度（dù），又能保證密（mì）封（fēng）性。

4.標準件選用具有防水功能的鉚（mǎo）螺母。

5.本發明具有成本低、減重效果好等特點。，減重效果超過25%。可應用於（yú）新能源汽車，提高電池組能（néng）量密度，延長續航裏程。