本帖最后由 遠(yuǎn)祥 于 2019-2-28 07:43 編輯
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2 l Q& D* g2 s$ K) H% P鋁在全球車輛產(chǎn)品應(yīng)用中，比例逐年增長 鋁作為輕量化特性應(yīng)用，主要原因是，符合和順應(yīng)了產(chǎn)品的節(jié)能、環(huán)保、輕量化發(fā)展趨勢(shì)。 下圖是來自達(dá)克全球咨詢的信息，鋁在車輛中應(yīng)用，逐年?duì)顟B(tài)和發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)。
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$ A& \7 A( m9 v/ o) f 近期，低成本高強(qiáng)鋼應(yīng)用回潮，是合理的市場(chǎng)行為 Tesla不全是技術(shù)的瘋狂者，考慮成本因素，調(diào)整鋁用量，也是合理的技術(shù)行為。在Model3設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)思路一改前期的“激進(jìn)”“豪華”，車身架構(gòu)采用鋼鋁混合金屬材質(zhì)，降低了鋁的應(yīng)用占比。 就連名噪遠(yuǎn)播的大眾MEB平臺(tái)的設(shè)計(jì)者們，也表明要首選低成本的鋼板，并且說，新能源車輛不僅僅是“富有階層的時(shí)尚”。 其實(shí)，一種材料不可能完全替代另外一種材料。任何一種材料，不管是從成本角度、性能角度，都是各有所長，并行發(fā)展的。只能說，一種材料，在某一方面，能更好的符合技術(shù)或市場(chǎng)發(fā)展需要而已。 鋁材料在新能源的應(yīng)用，主體還是輕量化需求、節(jié)能需求。目前，以40KWh的電池系統(tǒng)為例,如果采用鋼材結(jié)構(gòu),其成本可以控制在1千元以內(nèi)；如果采用鋁型材拼焊殼體結(jié)構(gòu),在3~5千元之間。成本比例，鋁合金仍然是鋼板材質(zhì)的3~5倍。 鋁在新能源的推廣應(yīng)用中，成本因素，仍然是一只攔路虎。但是，不妨礙技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。在現(xiàn)階段，鋼、鋁特性差異，帶來的設(shè)計(jì)差異有哪些呢？ 鋼、鋁材質(zhì)差異較大，電池托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更需“因材施教” 鋼、鋁材質(zhì)在強(qiáng)度、抗疲勞、彈性模量、抗拉、抗壓、抗剪、抗彎等特性參數(shù)方面，存在非常大的差異。采用金屬合金技術(shù)，確實(shí)在某些方面，例如強(qiáng)度特性方面，較純鋁，獲得非常顯著的提升。但是，單一特性的強(qiáng)化，并不代表本質(zhì)特性轉(zhuǎn)移和完全變化。 尤其在車輛工程中，動(dòng)、靜態(tài)載荷下，特性差異，表現(xiàn)的更加明顯。 所以說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，盡管功能是完全相同的零件，鋁合金結(jié)構(gòu)也不能等同于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。列舉幾個(gè)方面，加以闡述。 電池托盤吊耳結(jié)構(gòu)位置設(shè)計(jì)，被動(dòng)迎合車身結(jié)構(gòu)，難以滿足強(qiáng)度需求 長期以來，國內(nèi)新能源車輛并非正向設(shè)計(jì)。車身結(jié)構(gòu)或平臺(tái)，都是從燃油車過渡而來。車身結(jié)構(gòu)，并沒有做太多適應(yīng)性改動(dòng)和設(shè)計(jì)，這個(gè)時(shí)候的設(shè)計(jì)，電池托盤與車身固定位置和形式，也只能順勢(shì)而為。 但是，隨著新能源市場(chǎng)放大和普及，電池系統(tǒng)的功能安全越來越被重視，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無法滿足新的功能需求。 對(duì)于前期生產(chǎn)的新能源產(chǎn)品，在客戶使用過程中，產(chǎn)品吊耳開裂、IP失效、內(nèi)部模組結(jié)構(gòu)失效帶來電性能失效等等故障，托盤吊耳位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，都是直接或間接的主要原因之一。 托盤吊耳固定點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理性 電池本體的密度非常高，做為承載電池模組的電池托盤或殼體，一直是處在重載荷狀態(tài)之中。鋁的疲勞性能只有鋼的一半；鋁的彈性模量僅有鋼的三分之一。 如果托盤吊耳承載超限，或不同吊耳受力差值大、不均勻，面對(duì)車輛復(fù)雜的路況，動(dòng)態(tài)性能更加惡劣。鋁材質(zhì)在高振動(dòng)、高應(yīng)力集中狀態(tài)下，更容易出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，導(dǎo)致開裂、變形。 所以說，托盤在吊耳位置、內(nèi)框架梁結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)開裂等故障現(xiàn)象，甚至模組固定點(diǎn)脫落現(xiàn)象，也就不足為奇了。 如下圖Audi e-tron鋁托盤案例所示，不僅固定點(diǎn)數(shù)量多，而且布置均勻。 2 Q+ f! {8 a2 i# r9 s0 I3 _0 k
托盤吊耳固定點(diǎn)設(shè)計(jì)合理，內(nèi)外框架結(jié)構(gòu)“渾然一體” 如果做到電池模組和承載的托盤渾然一體，不是一件容易的事。首先經(jīng)得起振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，也是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的最好辦法。 在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，經(jīng)常會(huì)碰到內(nèi)框架與托盤焊接的開裂、內(nèi)框架支撐梁體開裂。開裂原因初步分析： 從材料特性分析，故障點(diǎn)應(yīng)力超過了材料本身所能承載應(yīng)力或應(yīng)力集中。 從工藝角度，材料焊接時(shí)， 導(dǎo)致的燒損，改變或削弱了材料的參數(shù)特性。 從結(jié)構(gòu)角度，開裂的支撐梁是否和內(nèi)框架結(jié)構(gòu)是一個(gè)整體。整體結(jié)構(gòu)，更有利于應(yīng)力分散和應(yīng)力均勻、振動(dòng)頻率一致。 Audi的電池托盤設(shè)計(jì)，就是很好的案例。黃色箭頭是受力的狀態(tài)，內(nèi)部通過均勻的框架，讓應(yīng)力得到合理的釋放，同時(shí)與外部框架吊耳孔對(duì)應(yīng)，讓內(nèi)外結(jié)構(gòu)渾然一體。同時(shí)，也能抵御來自外部碰撞的破壞。
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& a' z5 c! P8 a3 g: p5 g* f鋁外框架梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)是托盤設(shè)計(jì)靈魂 前面提到，托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)外渾然一體，其中，外框架設(shè)計(jì)是非常重要的。 從材料特性參數(shù)角度，鋁的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于鋼 鋁及其合金的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別為30-500 N/sq mm和79 -570 N/sq mm。鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，分別在250-1000 N/sq mm和400-1250 N/sq mm范圍內(nèi)。 如下圖所示，兩側(cè)外框架A，是電池系統(tǒng)Z向矢量的第一承載者；前后外框架B,主要承載來自X向的矢量載荷。所以說，關(guān)系到托盤吊耳位置或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就必須考慮這個(gè)因素。 同時(shí)，鋁的彈性模量比鋼差，這個(gè)特性也是非常重要的，關(guān)系到結(jié)構(gòu)的材質(zhì)的疲勞或壽命。
! i% B/ _: A& k) \+ x6 G# A: U 車用鋁合金應(yīng)用主要包括5×××系（Al-Mg系）6×××系（Al-Mg-Si系）等等。據(jù)了解，鋁托盤主要采用6系鋁型材（材質(zhì)的應(yīng)用，還需進(jìn)一步分析和摸索）。 電池鋁托盤常用的幾種結(jié)構(gòu)類型 對(duì)于鋁電池托盤，因?yàn)槠渲亓枯p，熔點(diǎn)低特點(diǎn)，一般有幾種形式：壓鑄鋁托盤、擠壓鋁合金框架和鋁板拼焊托盤（殼體）、模壓上蓋。 壓鑄鋁托盤 更多結(jié)構(gòu)特征是一次壓鑄成型，更多減少了托盤結(jié)構(gòu)焊接帶來的材料燒損和強(qiáng)度問題，整體強(qiáng)度特性更好。 這種結(jié)構(gòu)的托盤，框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不明顯，但是，整體強(qiáng)度可以滿足電池承截要求。常見于小能量電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如下圖的Audi A3壓鑄托盤。 , r7 u. Y8 C* `' m% R8 W
擠壓鋁拼焊框架結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)比較多見。也是比較靈活的一種結(jié)構(gòu)。通過不同鋁型材的拼焊、加工，可以滿足各種能量大小的需求。同時(shí)，易于修改設(shè)計(jì)，易于調(diào)整所用材料。從成本的角度，我覺得，較壓鑄鋁托盤，占有一定的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然了，隨著量產(chǎn)數(shù)量的不同，這種成本優(yōu)勢(shì)是否存在，也不一定。 框架結(jié)構(gòu)是托盤的一種結(jié)構(gòu)形式 在前期 “三+6”一文中，曾經(jīng)詳細(xì)作過描述。框架結(jié)構(gòu)更有利于輕量化，更利于不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度保證。 對(duì)于鋁電池托盤結(jié)構(gòu)形式，也沿襲了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式：外框體主要完成電池整個(gè)系統(tǒng)的承載功能；內(nèi)框體主要完成對(duì)模組、水冷板等子模塊的承載功能；在內(nèi)外框體的中間防護(hù)面，主要完成電池組與外界的隔離、防護(hù)，例如，沙礫沖擊、防水、隔熱等等。 下圖為Audi 的框架結(jié)構(gòu)示意。每一層結(jié)構(gòu)，承載了不同的功能。 9 W( M- L+ M! }! l
小結(jié)
+ l" [& t( [$ ?( f* M" ?. T$ ? 鋁作為車輛輕量化的重要材料，必須立足全球市場(chǎng)，長期關(guān)注其可持續(xù)性發(fā)展。同時(shí)，也要正確看待鋼、鋁在車輛應(yīng)用中的成本因素和技術(shù)進(jìn)步的區(qū)別。 鋁在設(shè)計(jì)中的正確應(yīng)用，需要對(duì)材質(zhì)特性的更深的理解。特別是針對(duì)重載荷的電池托盤應(yīng)用，還需要不斷摸索，做到心中有數(shù)，不斷積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，才能在輕量化的應(yīng)用中游刃有余，不斷進(jìn)步。
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發(fā)表于 2019-2-28 12:44:21
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