【動力電池】新能源汽車電池包下箱體生產(chǎn)工藝分析

目前，中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)已進入快速發(fā)展的新階段，未來高質(zhì)量增長將是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。從規(guī)?？?，中國已成為全球最大的新能源汽車市場，產(chǎn)銷量連續(xù)8年穩(wěn)居世界首位。隨著全球氣候問題的日益嚴峻和環(huán)保意識的不斷提高，新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為一種低碳、環(huán)保的交通方式，正逐漸成為世界各國關(guān)注的焦點。目前，新能源汽車技術(shù)不斷進步，續(xù)航里程和充電設(shè)施等方面的問題也得到了逐步解決，市場需求逐漸增長。在政策支持和技術(shù)創(chuàng)新的推動下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。各國政府紛紛出臺鼓勵政策，加大對新能源汽車的研發(fā)和推廣力度。

其中，新能源電池包是新能源汽車的核心部件，它為新能源汽車提供動力來源，而新能源電池包下箱體是電池包的重要組成部分，它對電池包的性能、安全和壽命具有重要影響。新能源汽車電池包下箱體是指安裝在電池包底部的外殼，用于支撐、固定和保護電池包內(nèi)部的電池模塊、電池管理系統(tǒng)等組件。涉及新能源汽車電池包下箱體生產(chǎn)工藝相關(guān)的研究論文報告如：2020年，華南理工大學的陳元研究電池包多材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，建立多性能約束下電池包結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程，為提升車用動力電池包結(jié)構(gòu)可靠性和輕量化水平提供參考；2020年，航天工程裝備（蘇州）有限公司的胡大武等以鋁制電池包箱體為主體，闡述了其結(jié)構(gòu)的變化到連接技術(shù)的演變，分別介紹了不同的連接技術(shù)在鋁制電池包箱體上的應(yīng)用；2021年，零跑汽車有限公司的張明旺和譚學鋼從提高生產(chǎn)效率和降本兩方面出發(fā)，充分利用沖壓車間原有沖床產(chǎn)線及焊涂車間原有電氣化設(shè)備，以項目為導向，驗證了使用沖壓成型的鋼下殼體進行工藝生產(chǎn)的可行性；2023年史開旺針對新能源燃料電池箱體薄壁鑄件，設(shè)計了鑄件的低壓鑄造工藝，滿足新能源燃料電池箱體的批量生產(chǎn)需求；2024年，徐峰祥等為實現(xiàn)電池包箱體的輕量化設(shè)計，采用碳纖維復合材料取代傳統(tǒng)金屬構(gòu)建電池包箱體結(jié)構(gòu)，下箱體實現(xiàn)質(zhì)量減輕58.9%，且各工況下的最大位移和最大應(yīng)力均有所減小，電池包箱體動靜態(tài)性能均得到提升。

新能源汽車電池包下箱體主流生產(chǎn)工藝有鋼沖壓、高強鋼輥壓、鋼鋁混合、鋁合金擠壓和鋁合金壓鑄等方案，每種方案都有各自的優(yōu)缺點。下面針對電池包下箱體的相關(guān)生產(chǎn)工藝特點，結(jié)合筆者的生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗進行分析探究。

1鋼沖壓成型電池包下箱體方案

鋼沖壓成型是一種金屬加工方法，它通過使用模具和沖壓設(shè)備，將金屬板材在壓力作用下變形成為所需的形狀和尺寸。沖壓成型工藝在汽車車身生產(chǎn)中應(yīng)用最廣，是非常成熟的一種生產(chǎn)工藝。鋼沖壓成型的電池包下箱體主要是使用一整塊鋼板按照電池包所需的尺寸和造型，沖壓得到一個殼體，電池箱體其余位置需要的安裝結(jié)構(gòu)也同樣使用沖壓成型工藝成型得到，這些部件間主要使用電阻點焊進行焊接，局部位置（如整包安裝支耳）使用二保焊焊接加強。整個外殼需要確保沒有焊穿、開裂和夾雜等缺陷，避免后續(xù)氣密性不能滿足要求。沖壓式電池包下箱體方案如圖1所示。

沖壓式電池下箱體本體材料多選用延展性和性能都比較均衡的SAPH440或同級別的板材，其余支耳和支架部分則根據(jù)強度性能需要，選擇普通的沖壓成型鋼。為滿足箱體的絕緣防腐要求，箱體總成表面需要進行電泳黑漆或鍍鋅處理，安裝點位置一般使用本體凸焊螺母+螺栓連接的方式。

沖壓式電池下箱體得益于工藝成熟，因此生產(chǎn)效率很高，生產(chǎn)成本較低。但是由于零件尺寸通常都很大，沖壓回彈、開裂等缺陷問題發(fā)生概率高，在零件開發(fā)前期要充分做好仿真分析，把大部分沖壓問題都進行規(guī)避。沖壓電池包下箱體結(jié)構(gòu)多適用于微型車或小型車的電池包方案，雖然也有企業(yè)推出高強鋼沖壓的解決大型化應(yīng)用方案，但沖壓式的下箱體結(jié)構(gòu)平臺化拓展較困難，隨著車企推出新車型的速度越來越快，平臺開發(fā)成本控制壓力越來越大，這種沖壓式電池包結(jié)構(gòu)方案逐步被適合平臺化拓展的新工藝方案取代。

2高強鋼輥壓電池包下箱體方案

輥壓成型是通過使用輥壓機對高強鋼板進行軋制，使其在輥壓過程中發(fā)生塑性變形，從而獲得所需要的形狀和尺寸。一般而言，高強鋼的屈服強度為460～1100MPa之間的鋼材，超高強鋼則是指屈服強度大于1100MPa的鋼材。高強鋼輥壓成型與普通鋼輥壓成型最大的差異是使用的板材性能不同，其次是高強鋼在輥壓成型過程中，需要更高的壓力和要求更嚴格的工藝控制來確保成型質(zhì)量。寶鋼研發(fā)的吉帕鋼，形成DP鋼、MS鋼、CP/CH鋼和TWIP鋼等多個系列，自主設(shè)計開發(fā)應(yīng)用于電池箱體，使用輥壓成型的封閉截面腔體結(jié)構(gòu)，使用DP1180鋼成型邊框和安裝梁零件，零件最大強度可達到1200MPa。

如圖2所示，周圈是邊框，中間的5件是模組安裝梁。一般工藝方案是邊框使用激光焊接拼在一起，再使用激光焊將邊框與沖壓底板整圈焊接，以保證殼體的密封性。由于激光焊相對二氧化碳保護焊輸入熱量少，而且焊縫氣孔率也更少，焊接后零件變形量和焊縫泄漏量會更少，因此適合用于該位置的焊接。焊接完成后的邊框與底板組合體，使用電阻點焊的方式將底板與模組安裝梁實現(xiàn)連接，模組安裝梁兩端接近邊框的位置同樣使用激光焊進行加強，模組安裝梁上的模組安裝孔位置，使用凸焊螺母的方式形成安裝點。

輥壓電池包下箱體方案應(yīng)用了高強鋼，因而可以使零件板材厚度減薄至1～1.2mm，比傳統(tǒng)沖壓方案減重約20%。輥壓由于零件是等截面的原因，在多車型平臺化開發(fā)方面有天然優(yōu)勢。通常情況下，不同車型的電池包主要是尺寸和電量存在差異，但是整體結(jié)構(gòu)布局都是基本相同的。當?shù)谝豢铍姵匕孪潴w輥壓截面開發(fā)成功后，后續(xù)平臺車型只需要根據(jù)所開發(fā)的電池包外形尺寸，對邊框長度、安裝梁長度及安裝梁位置進行調(diào)整即可完成主要框架的搭建，加上沖壓底板就完成了新電池包下箱體關(guān)鍵部件的開發(fā)。而沖壓底板零件由于結(jié)構(gòu)簡單，整體成本占比很小，也就無形中完成箱體的平臺化開發(fā)。鋼電池箱體本身就相對鋁合金電池箱體等方案有著天然的價格優(yōu)勢，加上高強鋼的應(yīng)用有助于提升車身碰撞性能、高強鋼應(yīng)用后的輕量化效果以及平臺化開發(fā)帶來的成本優(yōu)勢，高強鋼輥壓電池包下箱體方案成為目前電池包下箱體開發(fā)方案的主流方向。

3鋼鋁混合電池包下箱體方案

鋼鋁混合電池包下箱體方案結(jié)構(gòu)思路與高強鋼輥壓電池包下箱體的類似，也是通過把關(guān)鍵的邊框和安裝梁焊接成型，然后在底部使用沖壓底板形成密封腔體的方案路線。不同的是，鋼鋁混合電池包下箱體的邊框和安裝梁使用的是擠壓鋁合金，底板部分由液冷板和沖壓鋼板組成，也就是鋼鋁混合電池包下箱體方案集成了液冷板。一般液冷板使用3系鋁合金沖壓成型，由于3系鋁合金材料性能一般，不能作為承托結(jié)構(gòu)材料使用，因此本方案主要是通過安裝梁結(jié)構(gòu)和邊框?qū)崿F(xiàn)對電池包內(nèi)部零件的重量承載。

如圖3所示，邊框與液冷板通過攪拌摩擦穿透焊進行連接，通過攪拌摩擦焊實現(xiàn)內(nèi)側(cè)單層密封效果；底板與邊框通過螺栓連接，底板的主要作用是保證車輛在行駛時發(fā)生石擊或碰撞，不會對鋁合金部分產(chǎn)生損害，特別是保護材料強度較低的液冷板不被擊穿而失效。

鋼鋁混合電池包下箱體方案結(jié)合了鋁合金和鋼材兩種材料的優(yōu)點，集成了液冷板，容易實現(xiàn)大尺寸電池包方案，同時還可以兼顧輕量化和控制成本的需求。

4鋁合金擠壓電池包下箱體方案

鋁合金擠壓是通過對鋁合金坯料施加壓力，使其在模具中變形，從而得到具有特定形狀和尺寸的鋁合金制品。應(yīng)用鋁合金擠壓工藝的電池包下箱體，可以實現(xiàn)良好的輕量化效果，有助于提升電池包整體的能量密度，降低車輛行駛的能耗。但是隨著全球經(jīng)濟進入下行周期，降本增效的壓力越來越大，擠壓鋁合金相對鋼零件較高的價格成為該工藝應(yīng)用推廣的阻礙。

如圖4所示，鋁合金擠壓的下箱體由多塊底板和邊框組合而成，安裝梁直接由底板一體擠壓而成。材料一般使用6063-T6或6061-T6，各個底板間使用攪拌摩擦焊（FricitionStirWelding,FSW）連接，其余攪拌摩擦焊無法達到的位置使用氬弧焊（MIG）進行焊接，安裝支架和氣密修復等位置則使用鎢極惰性氣體保護焊（TIG）或激光焊進行焊接，安裝螺母有拉鉚和壓鉚兩種方式實現(xiàn)連接。

鋁合金擠壓下箱體方案工藝成熟，模具價格低，開發(fā)前期投入較小，并且已經(jīng)發(fā)展出超寬的扁擠壓[6]和超薄擠壓技術(shù)，可以一定程度上降低生產(chǎn)成本。但是受限于鋁合金材料本身價格因素，同時純擠壓工藝的下箱體結(jié)構(gòu)平臺化效果不佳，逐步被成本優(yōu)勢大的輥壓鋼下箱體取代的趨勢很明顯。

5鋁合金壓鑄電池包下箱體方案

鋁合金壓鑄是將鋁合金加熱至熔融狀態(tài)，然后將熔融金屬通過壓鑄機的壓射系統(tǒng)高速注入模具中，在高壓力下冷卻凝固成型，最終得到鋁合金壓鑄制品的一個生產(chǎn)過程，壓鑄通常是指高壓鑄造。自2019年特斯拉公司公布其一體壓鑄的后車體零件方案后，迅速在行業(yè)內(nèi)引起了一股一體壓鑄開發(fā)熱潮。鋁合金壓鑄工藝應(yīng)用于電池包下箱體可以達成優(yōu)秀的輕量化效果，生產(chǎn)效率高，容易配合車體結(jié)構(gòu)形狀成型一些復雜的單面結(jié)構(gòu)，提升整車空間利用率。但是由于壓鑄方案開發(fā)所需的前期模具費用投入高等因素，目前該方案多用于合資品牌中單價較高的混動車型。

壓鑄工藝生產(chǎn)得到的零件與鋼沖壓零件類似，零件結(jié)構(gòu)都是一個殼體，差異在于壓鑄方案可以在箱體內(nèi)部直接成型所需的安裝梁，以及安裝螺柱結(jié)構(gòu)，后期只需使用數(shù)控加工中心進行安裝面和螺紋加工即可。壓鑄方案的下箱體容易實現(xiàn)氣密，同時可以結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計以及擠壓鋁合金的焊接，形成一體液冷結(jié)構(gòu)，艾盛公司已經(jīng)針對該方案申請了專利。

鋁合金壓鑄下箱體的優(yōu)點明顯，但是缺點也比較突出。最關(guān)鍵的缺點就是零件成本高，受限于鋁合金材料本身的成本，天然就比鋼材貴，再結(jié)合壓鑄模具和壓鑄設(shè)備，零件綜合單價比鋼件方案高50%。其次是零件的處理工藝問題，普通壓鑄材料成型后性能無法滿足設(shè)計要求，需要進行熱處理，熱處理過程中零件容易發(fā)生變形等缺陷，會增加后續(xù)處理成本。目前，高強度免熱處理壓鑄鋁合金材料在國內(nèi)發(fā)展很快，以上海交大丁文高、國內(nèi)學者胡祖麟、重慶大學賈從波等研究團隊都有相關(guān)材料的研發(fā)。只是目前該類型的材料單價成本偏高，影響了材料和壓鑄工藝在電池包下箱體的應(yīng)用推廣速度。表1將各種工藝方案的電池包下箱體優(yōu)缺點進行了匯總。

6小結(jié)

新能源汽車中關(guān)鍵的電池包下箱體生產(chǎn)工藝方案選擇，對電池包整體輕量化和成本有很大的影響。筆者基于自身的經(jīng)驗，對行業(yè)內(nèi)主流的下箱體工藝方案進行分析總結(jié)，總體而言，目前生產(chǎn)應(yīng)用方案是以鋼鋁混合和純擠壓鋁合金焊接而成的下箱體為主。隨著高強鋼和超高強鋼輥壓工藝的逐漸成熟，高強鋼輥壓方案良好的成本優(yōu)勢、輕量化和平臺化效果，很快就成為各主機廠爭相研究開發(fā)的重點方案。本文對相關(guān)生產(chǎn)工藝的分析，為后續(xù)電池包項目開發(fā)做一些參考，助力行業(yè)實現(xiàn)降本增效的要求，完成碳中和的目標。

文章來源：江鈴汽車股份有限公司

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