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電池包殼體輕量化，對于提升電池包能量密度有著重大意義。
研究以鋁合金型材為主體結構的電池包殼體，對鋁合金型材斷面、攪拌摩擦焊接接頭、連接工藝等方面進行了分析研究，并在成本、工藝性等方面進行綜合比較，通過CAE對設計方案進行分析驗證。
合理的結構設計和連接方式，可以有效地保證殼體整體強度，降低加工難度，使殼體減重，為電池包殼體的輕量化設計提供參考。
經過近幾年的高速發展，目前我國已成為世界新能源汽車產銷第一大國。隨著國家2019年新能源汽車補貼政策的出臺和續航里程要求的提高，對電池系統能量密度提出了更高的要求。
提升電池能量密度有兩種路徑：一是增加單體電芯的比能量；二是電池包的結構輕量化。提升單體電芯的比能量，技術難度大，研發周期長，資金投入大，相比之下，使電池包的結構輕量化則更容易實現。
鋁合金在汽車上的應用早已屢見不鮮。鋁合金具有密度低、比強度高、熱穩定性、耐腐蝕性及導熱性良好、無磁性、成型容易、回收價值高等諸多優點，因此是電池包輕量化設計的理想材料。
目前，電池包殼體用材主流方案是擠壓鋁合金殼體+PP/玻纖復合材料上蓋。
就目前發展來看，鋁合金殼體和塑料上蓋的方案具有輕量化前景。殼體采用鋁擠壓型材 + 攪拌摩擦焊 + MIG焊的方案，綜合應用成本低，性能滿足要求，且可實現水冷電池的循環水道的集成。
上蓋采用非金屬上蓋，主要用到PP/玻纖 + LFT-D模壓工藝，既能提高生產的效率也可滿足火焰燃燒和密封性能的要求，且模具成本較低。
鋁合金電池包殼體已在多款新能源汽車上應用，例如，比亞迪宋和唐、蔚來 ES8、北汽EV系列等。該殼體可提升電池包能量密度，增加續航里程。由此可見，鋁合金電池包殼體具有廣闊的市場前景。
鋁合金電池包殼體結構
典型的鋁合金拼焊電池包殼體如圖1所示。殼體主要由鋁合金型材邊框和鋁合金型材底板構成，采用6系擠壓型材拼焊而成。
為保證焊接強度和密封性，選用低應力變形小的攪拌摩擦焊，鋁合金型材適用的標準件一般有鋼絲螺套、拉鉚螺母、壓鉚螺母。
除標準件外，其余為100%鋁合金材質。該殼體強度高、重量輕、耐腐蝕性好。
圖 1 鋁合金電池包殼體圖
設計方案介紹
1.斷面結構及材質
邊框和底板為鋁合金擠壓型材，材料一般選用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）和6063-T6（屈服強度170 MPa，抗拉強度215 MPa）等，根據斷面復雜程度、成本、模具消耗等因素考慮具體選用何種牌號。
這幾種材料的強度大小，依次為：6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6，同等斷面擠壓難度為：6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6。
圖 2 是邊框的典型斷面，由多個空腔組成，材質為6061-T6，壁厚最薄處 2 mm。
圖 2 邊框斷面
邊框主要有兩種加工方案：一是進行整體型材擠壓，然后機加工，零件一體性好，強度有保證，但加工量大，成本較高；另一種是采用型材拼焊的方式，此種方案成本較低，但焊縫強度較弱，需要驗證焊縫強度是否滿足要求。
在實際生產中應綜合考慮，選擇最佳的設計方案。
圖3是底板的典型斷面，由多個空腔組成，包括上部凸起，上部凸起主要用于電池模組的安裝。
圖3底板斷面
因斷面尺寸較大，且厚度只有2mm，所以選擇材質6005A-T6。上部凸起如需要安裝鋼絲螺套，可將上部空腔做成實心。
非安裝部位可用CNC設備去除，在保證強度的同時，能使重量最輕。
邊框和底板是電池模組的承載者，對強度要求比較高，所以一般都選用具有型腔的雙層斷面來保證強度，底板厚度一般為10mm左右，壁厚2mm。較少使用單層鋁板。
6063-T6由于材質偏軟，主要用于復雜斷面或者受力較小的零件。
2.連接設計
鋁合金電池包殼體的主要連接方式有：攪拌摩擦焊接、MIG、拉鉚、壓鉚以及少量弧焊和膠粘。
底板與底板、底板與邊框主要用攪拌摩擦焊連接。焊縫強度可達母材80%左右。
攪拌摩擦焊接與普通熔焊方案相比較，具有以下突出的優點：
屬于固態焊接技術，焊接過程不存在焊接材料融化；
焊接接頭質量好，焊縫為細晶鍛造組織結構，沒有氣孔、裂紋、夾渣等缺陷；
不受焊縫位置的限制，可實現多種接頭形式的焊接；
焊接效率高，在 0.4-100 mm 厚度范圍內可以實現單焊道焊接成型；
焊件中殘余應力低，變形小，可實現高精度焊接；
接頭強度高、疲勞性能好，沖擊韌性優異；
焊接成本低，沒有焊接過程消耗，不需要填絲和保護氣體；
焊接操作簡單，便于實現自動化焊接。
圖 4 為底板型材攪拌摩擦焊接接頭，底板與底板之間采用板對接接頭雙面焊接。雙面焊接強度高，變形小。
圖 4 底板斷面
在攪拌摩擦焊接過程中會對工件有一個很大的下壓力，所以，就需要增加型腔內筋和圓角厚度，焊接深度越大，筋和圓角就越大。
表 1 焊接厚度與型材厚度對應關系
邊框和底板之間主要有兩種連接方式：一是雙面攪拌摩擦焊接；二是外部攪拌摩擦焊接和內部弧焊 + 涂膠。
兩種不同的連接方式采用的鋁合金接頭也不一樣。
圖 5 是邊框與底板雙面攪拌摩擦焊接接頭形式。為給攪拌頭預留出足夠的空間，邊框與底板連接處伸出長度要足夠長，避免邊框和攪拌頭干涉，以免增加邊框型材的尺寸和擠壓難度。但雙面焊接強度高、變形小，這也是它的主要優勢。
圖 6 為外側攪拌摩擦焊接+內側MIG焊接。底板外側需搭接在型材邊框上，且型材邊框搭接處應做成實心，滿足攪拌摩擦焊接要求，給焊接提供支撐力；內側則采用MIG焊接，視情況選擇滿焊或者斷續焊接。
圖 5 邊框與底板雙面攪拌摩擦焊接圖
圖 6 邊框與底板外部攪拌摩擦焊接+內部MIG焊接
此種連接方式效率高、難度小、成本低，但是因為內部采用了弧焊，焊縫可能有漏水的風險，所以，還要再涂一遍密封膠來保證密封性，這也是它的一個弊端。
3.密封設計
由于整車行駛環境的復雜性，尤其是電池包安裝在車輛底盤下方或者位置較低的區域，當電動車輛遇到涉水、暴雨等危險工況時，可能會因水汽的侵襲導致電池的電氣故障、短路、漏電等危害，因此必須為電池系統提供防水、防塵的環境。
電池包的密封性直接影響到電池系統的工作安全，從而影響到電動車輛的使用安全。
通常，電池包密封防護等級要求達到IP67才能保證電池包密封防水，這樣電池組才不會因為進水而短路。
鋁合金電池包殼體的底板與底板之間宜采用攪拌摩擦焊接。由于攪拌摩擦焊接屬于固相連接技術，在焊接過程中金屬基材不融化，因此，相比熔化焊接減少了氣孔、裂紋等缺陷的發生率。所以，為了較好地保證密封性，焊接應優先選用此種焊接方式。
如果邊框與底板內部采用弧焊，則需要涂焊縫密封膠來保證密封性。殼體與上蓋之間雖然采用發泡硅膠來保證密封，但是，連接的標準件自身也要保證其密封性，殼體法蘭一般采用M5拉鉚螺母。
目前，已有廠家生產可以專門用于電池包的防水密封的表面帶膠的拉鉚螺母，通過拉鉚螺母塑性變形，使膠起到密封作用。
前端使用的盲孔壓鉚螺母，由于自身具有一定的密封效果，且外部附件也有密封圈，所以不再做單獨處理。
如發現泄漏，可以進行涂膠處理。
電池包殼體鋼與鋁合金的重量對比
鋁的密度約是鋼的 1/3，是輕量化的理想材質。
表2為某款鋼質電池包殼體鋁化的情況。從表2數據可知，減重效果達到26.7%。電池包殼體的鋁代鋼不僅可以提升電池包能量密度，也增加了車輛續航里程。
表 2 鋼與鋁合金電池包殼體重量對比
仿真分析
根據GB/T 31467.3—2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第三部分：安全性要求與測試方法，對鋁合金電池包殼體強度、振動、擠壓等方面進行仿真分析。
圖7 某鋁合金電池包殼體仿真分析結果
其中：
圖 7（a）3G 向前工況應力最大值為 29.4 MPa；
圖 7（b）振動應力最大值為55.98MPa，最大值均小于6005A屈服強度215 MPa；
圖 7（c）擠壓最大位移7.081 mm，電池模組安全距離為10mm（每個電池包結構不同，安全距離也會不同，需要客戶確認），滿足要求。
結論
6061-T6 和 6005A 兩種材質的性能均可以較好地滿足設計要求。
擠壓斷面結構的一體化雖然加工量大且成本高，但有利于電池包強度的提高，可綜合考慮。
攪拌摩擦焊接在保證焊縫強度的同時還可以保證密封性，是電池包殼體的最佳焊接方式。
標準件選用具有防水功能的拉鉚螺母。
型材拼焊的鋁合金電池包殼體具有成本低、減重效果好等特點，減重效果在25%以上，可應用于新能源汽車上，提高電池包能量密度，延長續航里程。
編輯：黃飛
工商網監
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