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汽車重量是制約新能源汽車行駛距離的重要因素,輕量化技術(shù)的應(yīng)用可降低整車重量,因此車身輕量化已成為行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題。電池托盤是新能源汽車電力系統(tǒng)的重要組成部分,是電池系統(tǒng)安全性的重要保障;其重量占電池系統(tǒng)的20%-30%,它需要高精度、耐腐蝕、耐高溫、抗沖擊等性能,所以材料的選擇需要綜合多方面因素進(jìn)行考慮。
汽車電池總體結(jié)構(gòu)可分為:動力電池模塊、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、BMS 等,動力電池模塊是新能源汽車動力輸出的重要部件,其負(fù)責(zé)能量的存儲與釋放,決定了汽車的行駛里程,是新能源汽車的 “心臟”;電氣系統(tǒng)的主要組成可分為兩部分:高壓跨接片或高壓線束、低壓線束和繼電器組成,高壓線束可將能量輸送到各個所需部件中,線束可對各類信號進(jìn)行實(shí)時的檢測與控制;熱管理系統(tǒng)主要包括風(fēng)冷、水冷、液冷等,熱管理系統(tǒng)可保證電池的溫度的恒定,調(diào)節(jié)汽車運(yùn)行或環(huán)境中的溫度,保障電池的正常運(yùn)轉(zhuǎn);電池管理系統(tǒng)(BMS)可對電池進(jìn)行保護(hù),控制電池的電流大小及電池的充放電過程;結(jié)構(gòu)系統(tǒng)即為新能源汽車電池托盤,它是電池系統(tǒng)的骨架,可為其它系統(tǒng)起到抗沖擊、抗震動及保護(hù)作用。電池托盤經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段,由開始的鋼制箱體,發(fā)展到目前的鋁合金托盤,并且朝著效率更高的銅合金電池托盤發(fā)展。
某混合動力車的PACK 結(jié)構(gòu)
鋼制電池托盤主要采用的材料為高強(qiáng)鋼,其具有價格經(jīng)濟(jì),有優(yōu)良的加工及焊接性能,在實(shí)際路況中由于電池托盤受到不同工況的影響,如易受到碎石的沖擊等,而鋼托盤因?yàn)橛辛己玫目故^沖擊的能力。
鋼制托盤也存在其局限性:① 其重量較大,裝載于車身時是影響新能源汽車的續(xù)航里程的重要因素之一;② 鋼制電池托盤由于其剛性較差,在發(fā)生碰撞過程中易發(fā)生擠壓變形,從而使得電池發(fā)生破壞甚至引起火災(zāi);③ 鋼制電池托盤的耐腐蝕性能較差,在不同的環(huán)境中易發(fā)生化學(xué)腐蝕,從而引起內(nèi)部電池的破壞。
鑄鋁電池托盤(如圖所示)采用整體一次成型,其具有靈活的設(shè)計樣式,托盤成型后不需要進(jìn)行進(jìn)一步的焊接工序,因此其綜合力學(xué)性能較高;由于采用了鋁合金材料,因此其重量也進(jìn)一步降低,這種結(jié)構(gòu)電池托盤常用于小能量電池包中。
但由于鋁合金在鑄造過程中易發(fā)生欠鑄、裂紋、冷隔、凹陷、氣孔等缺陷,澆鑄后產(chǎn)品密封性較差,而且鑄造鋁合金的延伸率較低,在發(fā)生碰撞后易發(fā)生變形,由于鑄造工藝的局限性,對于大容量的電池托盤無法采用鑄造鋁合金的方式進(jìn)行生產(chǎn)。
擠壓鋁合金電池托盤是目前主流的電池托盤設(shè)計方案,其通過型材的拼接及加工來滿足不同的需求,具有設(shè)計靈活、加工方便、易于修改等優(yōu)點(diǎn);性能上擠壓鋁合金電池托盤具有高剛性、抗震動、擠壓及沖擊等性能。
鋁合金由于其密度低、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),在保證車身性能時仍能保證其剛性,在汽車輕量化工程中得到廣泛應(yīng)用,早在1995 年德國奧迪公司開始批量生產(chǎn)鋁合金車身,近年來特斯拉、蔚來汽車等新興新能源汽車造車廠商也開始提出全鋁車身概念,包括鋁合金車身、車門、電池托盤等。但由于采用拼接方法,需要將不同的部件通過焊接等方法進(jìn)行拼接,需要焊接的零件較多,工藝復(fù)雜。
電池托盤作為整個電池模塊的支撐,經(jīng)歷了從材料到工藝的創(chuàng)新發(fā)展,具有多種功能性系統(tǒng)融合的,可靠性更高、功能更豐富的電池托盤將是未來的發(fā)展方向。同時電池托盤的設(shè)計也將趨向于功能豐富、強(qiáng)度可靠的方向設(shè)計:水冷系統(tǒng)與電池托盤融合設(shè)計是目前正在開發(fā)的一種方案,替代了外置冷卻系統(tǒng)的設(shè)計,較大的提高了電池的散熱效率。
如下圖所示,將散熱系統(tǒng)與底板連接形成一整體底板,再將其用攪拌摩擦焊方法與框架連接。在極寒條件下,電池同樣需要進(jìn)行保溫加熱,隔熱保溫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)在電池托盤上的綜合設(shè)計將會是未來電池托盤的發(fā)展方向。而且針對承載結(jié)構(gòu)的多元化連接以及采用無強(qiáng)度減弱方式的鉚接、螺接技術(shù)與密封膠結(jié)合的設(shè)計也將是電池托盤在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。
散熱系統(tǒng)與底板相連結(jié)構(gòu)