鋁（lǚ）合金電池包殼體結構設計及連接工（gōng）藝（yì）

經過近幾年的快速發展，中國已經成為全球新能源汽車產（chǎn）銷量第一（yī）大國。隨著2019年國家新能源汽車補貼政策的出台和續航裏程要求的提高，對電池係統（tǒng）的能量密度提出了更高的要（yào）求。

提（tí）高電池能量密度（dù）的途徑有兩種:一是提高單體電池的比能量；第二，電（diàn）池組的結構重量輕。提高單個電池單元的比（bǐ）能量在技術上（shàng）是困（kùn）難的，具有長的（de）R&D周期和大的資金投入。相比之下，更容易實現（xiàn）電池組（zǔ）的輕量化結構。

鋁合金在汽（qì）車上（shàng）的應用早（zǎo）已司空見慣。鋁合金具有密（mì）度低、比強度高、熱穩定性好、耐腐蝕性（xìng）和導熱性好、無磁性、易成型、回收價值高等優點，是電池組輕量化設（shè）計的理（lǐ）想材料。

目前電（diàn）池組外殼（ké）材料的主流方案是擠壓鋁合金外殼+PP/玻（bō）璃纖維複合上（shàng）蓋。

就目前的發展來看（kàn），鋁（lǚ）合金外殼和塑料上蓋的方案，輕量化前景較好（hǎo）。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，可實現水冷電池循環水道一體化。

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

鋁（lǚ）合金電池外殼已經在很（hěn）多新能源汽車上使用，如（rú）比亞迪宋唐、蔚來（lái）ES8、北汽EV係（xì）列等。外殼（ké）可以提（tí）高電池（chí）組的能量密度，增加續航（háng）裏程。因此，鋁（lǚ）合金電池（chí）組外殼具（jù）有廣闊的市場前景（jǐng）。

1鋁合金電池組外殼結構（gòu）

典型的鋁合金拚焊電池組外殼如圖1所（suǒ）示。外殼主要由鋁合金型材框（kuàng）架和（hé）鋁合金型材底板組成，由6係擠壓型材焊接而成。

為了（le）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（yú）鋁合金型材的標準件有鋼絲螺套、鉚螺母、鉚螺母。

除了標準件，其餘都是100%鋁（lǚ）合金。外殼強度高，重量輕，耐腐（fǔ）蝕性好。

2設計方案介紹（shào）

2.1截麵（miàn）結構和材（cái）料

並且邊框和底板為鋁合金擠壓型材，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（lā）強度255 MPa)、6063-T6(屈服強度170 MPa，抗拉強度215 MPa)等。根（gēn）據（jù）斷麵複雜程度、成本、模具消耗等（děng）因素。

這些材料的強度（dù）為:6061-T6 > 6005a-T6 > 6063-T6，同一斷麵的（de）擠壓難度為:6061-T6 > 6005a-T6 > 6063-T6。

車架的加工方案主要有（yǒu）兩種:一是整體型材擠（jǐ）壓（yā），然後機加工。零件整體性（xìng）好，強（qiáng）度有保證，但加工量大，成本高；另一種方法是分（fèn）段（duàn）焊接。這種方法成本較低，但焊（hàn）縫強度較弱，需要驗證焊縫強度是否滿足要求。

在實際（jì）生產中，要綜合考慮，選擇最佳設計方案。

選擇6005A-T6材料是因（yīn）為其截麵尺寸大，厚（hòu）度僅為2mm。如果鋼絲螺套需要安（ān）裝在上部，上腔可以做成實心的。

非安裝部分可以通過數控設備拆（chāi）卸，可以在保證強度的同時使重量（liàng）最輕。

並且框架和底板是電池（chí）模塊的載體，需要高強（qiáng）度。因（yīn）此，一般采用帶空腔的雙層截麵，以（yǐ）保證強度。底板（bǎn）厚度（dù）一般在10mm左右，壁厚2mm。較少使（shǐ）用單層鋁板。

由於6063-T6的材質較軟，主要用於截（jié）麵複雜或應力較（jiào）小的零件（jiàn）。

2.2連接設計

鋁合金（jīn）電池組外殼的主要連接方式有（yǒu）:攪拌摩（mó）擦焊、MIG、鉚接、鉚接以及少量（liàng）的電弧焊和膠（jiāo）接。

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

與普（pǔ）通熔焊方案相比，摩擦焊具有以下突出優點:

屬於固體焊接技術，焊接過程（chéng）中不存在焊（hàn）接材料的熔化；

焊接接頭質量良好，焊縫為細晶鍛造組織，無氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。

不受焊縫位置的限製，可實現多種接頭形式的焊接；

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

焊接部位殘餘應（yīng）力低，變形（xíng）小，可實現高精度焊（hàn）接；

接頭具有高強度、良好的疲勞性能和優異的衝擊（jī）韌性；

焊接成本（běn）低，無焊接工藝消耗，無需填絲和保護氣體；

焊接操作簡單，便於實現（xiàn）自動焊接。

在攪拌摩擦焊過程中，工件上會產生很（hěn）大的下壓力，因此需要增加型腔中筋條和圓角的厚度。焊接（jiē）深度（dù）越深，肋和圓角就越（yuè）大。

框架與（yǔ）底板的連接方式主要有兩種:一種是雙（shuāng）麵攪拌摩擦焊（hàn）；第二（èr），外部攪拌摩擦焊和（hé）內部電弧焊（hàn）+膠合。

兩種不同連接方式所用的鋁合（hé）金接頭也不同。

帶底（dǐ）板的雙麵攪拌摩擦焊（hàn）接頭。給攪拌頭留出足夠（gòu）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）生幹涉，以免增（zēng）加框架型材的尺寸和擠壓難度。但是雙麵焊接強度（dù）高，變形小，這也是它的主要優勢。

外部攪拌摩（mó）擦焊+內部MIG焊。底板外側（cè）應搭（dā）接在型材框架上，型材（cái）框架搭（dā）接部分應做（zuò）成實心的（de），以滿足（zú）攪（jiǎo）拌摩擦焊的要求，並為焊接提供支撐；內側采用MIG焊，根據情（qíng）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（dàn）由於采用內弧焊，焊縫可能存在漏水風（fēng）險。所以要重（chóng）新塗密（mì）封膠，保（bǎo）證密封性，這（zhè）也是它的缺點之一。

2.3密封設計

由於整車行駛環境（jìng）的（de）複雜性，尤其是安裝（zhuāng）在車輛底盤（pán）下方或較低區域的電（diàn）池組，當電（diàn）動汽車遇到涉水、暴雨（yǔ）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（diàn）池係（xì）統提供防水防塵的環境。

電池的密封性直接影響電池係統（tǒng）的工作安（ān）全，從而影響電動車的使用（yòng）安全。

一（yī）般情況下，電池組的密封防護等級必須達到IP67才能保證（zhèng）電池（chí）組的密封防水，這樣電池組就（jiù）不會因（yīn）為進水而（ér）短路。

鋁（lǚ）合金電池組外殼底板與底板之間應采用攪拌摩擦焊。由於摩擦攪拌焊（hàn）接（jiē）是一種固相結合技術，金屬基材在焊接（jiē）過程中（zhōng）不會熔化，因此與熔焊相比，諸如氣（qì）孔和裂（liè）紋等缺陷的發生率降低。所以為了保證密封性，應該首（shǒu）選這種焊接方式。

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

目前（qián）已經有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（mǎo）螺母的塑性變形，膠水起到密封作用。

前（qián）端使（shǐ）用的盲鉚螺母有一定（dìng）的密封作用，外部附件也有密封圈，不（bú）再單獨處理。

如果發現泄漏（lòu），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（lǐ）想材料（liào）。

表2顯示了鋼電池組外殼的鋁化。根據表（biǎo）2中的數據，減肥效果達到26.7%。電池組外殼用鋁代替鋼，不僅可以提高電池（chí）組的能量密度，還可以（yǐ）增（zēng）加車輛的續航裏程。

3模擬分（fèn）析（xī）

根（gēn）據GB/T 31467.3—2015《電（diàn）動汽車用鋰離子動力電（diàn）池組及係統第三部分:安全要求和試驗（yàn）方（fāng）法》，對鋁（lǚ）合金電池組外殼的強度、振動和擠壓進（jìn）行了仿真分析。

4經驗結（jié）論

1.6061-T6和6005A的性能（néng）滿足設計要求。

2.擠壓（yā）型材結構一體化雖然加工能力大，成（chéng）本高，但有利於電池組強度的提高，可以綜合考慮。

3.攪拌摩擦焊是（shì）電池組（zǔ）外殼的最佳焊接方（fāng）法，既能保證焊縫的強度，又能保證密封性。

4.標準件選用具（jù）有防水功能（néng）的鉚螺母。

5.本發明具（jù）有成本（běn）低、減重效果好（hǎo）等特點。，減重效果超過25%。可（kě）應用於新能源汽（qì）車，提（tí）高電（diàn）池組能量密度，延長續航裏程。