铝合金电池包壳体结构设计及连接工艺

经过近几年的快速发展，中国已经成为全球新能源汽车产销量第一大国。随着2019年国家新能源汽车补贴政策的出台和续航里程要求的提高，对电池系统的能量密度提出了更高的要求。

提高电池能量密度的途径有两种:一是提高单体电池的比能量；第二，电池组的结构重量轻。提高单个电池单元的比能量在技术上是困难的，具有长的R&D周期和大的资金投入。相比之下，更容易实现电池组的轻量化结构。

铝合金在汽车上的应用早已司空见惯。铝合金具有密度低、比强度高、热稳定性好、耐腐蚀性和导热性好、无磁性、易成型、回收价值高等优点，是电池组轻量化设计的理想材料。

目前电池组外壳材料的主流方案是挤压铝合金外壳+PP/玻璃纤维复合上盖。

就目前的发展来看，铝合金外壳和塑料上盖的方案，轻量化前景较好。采用铝挤压型材+搅拌摩擦焊+MIG焊的方案，综合应用成本低，性能满足要求，可实现水冷电池循环水道一体化。

上盖采用非金属，主要是PP/玻璃纤维+LFT-D成型工艺，既能提高生产效率，又能满足火焰燃烧和密封性能的要求，模具成本低。

铝合金电池外壳已经在很多新能源汽车上使用，如比亚迪宋唐、蔚来ES8、北汽EV系列等。外壳可以提高电池组的能量密度，增加续航里程。因此，铝合金电池组外壳具有广阔的市场前景。

1铝合金电池组外壳结构

典型的铝合金拼焊电池组外壳如图1所示。外壳主要由铝合金型材框架和铝合金型材底板组成，由6系挤压型材焊接而成。

为了保证焊接强度和紧密性，选用低应力、小变形的搅拌摩擦焊。一般适用于铝合金型材的标准件有钢丝螺套、铆螺母、铆螺母。

除了标准件，其余都是100%铝合金。外壳强度高，重量轻，耐腐蚀性好。

2设计方案介绍

2.1截面结构和材料

并且边框和底板为铝合金挤压型材，材质一般为6061-T6(屈服强度240 MPa，抗拉强度260MPa)、6005A-T6(屈服强度215 MPa，抗拉强度255 MPa)、6063-T6(屈服强度170 MPa，抗拉强度215 MPa)等。根据断面复杂程度、成本、模具消耗等因素。

这些材料的强度为:6061-T6 > 6005a-T6 > 6063-T6，同一断面的挤压难度为:6061-T6 > 6005a-T6 > 6063-T6。

车架的加工方案主要有两种:一是整体型材挤压，然后机加工。零件整体性好，强度有保证，但加工量大，成本高；另一种方法是分段焊接。这种方法成本较低，但焊缝强度较弱，需要验证焊缝强度是否满足要求。

在实际生产中，要综合考虑，选择最佳设计方案。

选择6005A-T6材料是因为其截面尺寸大，厚度仅为2mm。如果钢丝螺套需要安装在上部，上腔可以做成实心的。

非安装部分可以通过数控设备拆卸，可以在保证强度的同时使重量最轻。

并且框架和底板是电池模块的载体，需要高强度。因此，一般采用带空腔的双层截面，以保证强度。底板厚度一般在10mm左右，壁厚2mm。较少使用单层铝板。

由于6063-T6的材质较软，主要用于截面复杂或应力较小的零件。

2.2连接设计

铝合金电池组外壳的主要连接方式有:搅拌摩擦焊、MIG、铆接、铆接以及少量的电弧焊和胶接。

底板、底板和框架主要通过搅拌摩擦焊连接。焊接强度可达到母材的80%左右。

与普通熔焊方案相比，摩擦焊具有以下突出优点:

属于固体焊接技术，焊接过程中不存在焊接材料的熔化；

焊接接头质量良好，焊缝为细晶锻造组织，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷。

不受焊缝位置的限制，可实现多种接头形式的焊接；

焊接效率高，可在0.4-100 mm的厚度范围内实现单道焊接成型；

焊接部位残余应力低，变形小，可实现高精度焊接；

接头具有高强度、良好的疲劳性能和优异的冲击韧性；

焊接成本低，无焊接工艺消耗，无需填丝和保护气体；

焊接操作简单，便于实现自动焊接。

在搅拌摩擦焊过程中，工件上会产生很大的下压力，因此需要增加型腔中筋条和圆角的厚度。焊接深度越深，肋和圆角就越大。

框架与底板的连接方式主要有两种:一种是双面搅拌摩擦焊；第二，外部搅拌摩擦焊和内部电弧焊+胶合。

两种不同连接方式所用的铝合金接头也不同。

带底板的双面搅拌摩擦焊接头。给搅拌头留出足够的空间，框架与底板连接处的伸出长度要足够长，避免框架与搅拌头发生干涉，以免增加框架型材的尺寸和挤压难度。但是双面焊接强度高，变形小，这也是它的主要优势。

外部搅拌摩擦焊+内部MIG焊。底板外侧应搭接在型材框架上，型材框架搭接部分应做成实心的，以满足搅拌摩擦焊的要求，并为焊接提供支撑；内侧采用MIG焊，根据情况选择全焊或间歇焊。

这种连接方式效率高，难度低，成本低。但由于采用内弧焊，焊缝可能存在漏水风险。所以要重新涂密封胶，保证密封性，这也是它的缺点之一。

2.3密封设计

由于整车行驶环境的复杂性，尤其是安装在车辆底盘下方或较低区域的电池组，当电动汽车遇到涉水、暴雨等危险工况时，可能会因水汽的侵入而造成电池的电气故障、短路、泄漏等危害，因此需要为电池系统提供防水防尘的环境。

电池的密封性直接影响电池系统的工作安全，从而影响电动车的使用安全。

一般情况下，电池组的密封防护等级必须达到IP67才能保证电池组的密封防水，这样电池组就不会因为进水而短路。

铝合金电池组外壳底板与底板之间应采用搅拌摩擦焊。由于摩擦搅拌焊接是一种固相结合技术，金属基材在焊接过程中不会熔化，因此与熔焊相比，诸如气孔和裂纹等缺陷的发生率降低。所以为了保证密封性，应该首选这种焊接方式。

如果框架和底板之间采用电弧焊，则必须涂上焊接密封剂以确保密封性。虽然采用了发泡硅胶来保证壳体与上盖之间的密封，但也要保证连接的标准件的密封，壳体法兰一般采用M5铆螺母。

目前已经有厂家生产出表面带胶的铆螺母，可以专门用于电池组的防水密封。通过铆螺母的塑性变形，胶水起到密封作用。

前端使用的盲铆螺母有一定的密封作用，外部附件也有密封圈，不再单独处理。

如果发现泄漏，可以使用胶水。

2.4电池组外壳钢和铝合金的重量比较

铝的密度约为钢的1/3，是轻量化的理想材料。

表2显示了钢电池组外壳的铝化。根据表2中的数据，减肥效果达到26.7%。电池组外壳用铝代替钢，不仅可以提高电池组的能量密度，还可以增加车辆的续航里程。

3模拟分析

根据GB/T 31467.3—2015《电动汽车用锂离子动力电池组及系统第三部分:安全要求和试验方法》，对铝合金电池组外壳的强度、振动和挤压进行了仿真分析。

4经验结论

1.6061-T6和6005A的性能满足设计要求。

2.挤压型材结构一体化虽然加工能力大，成本高，但有利于电池组强度的提高，可以综合考虑。

3.搅拌摩擦焊是电池组外壳的最佳焊接方法，既能保证焊缝的强度，又能保证密封性。

4.标准件选用具有防水功能的铆螺母。

5.本发明具有成本低、减重效果好等特点。，减重效果超过25%。可应用于新能源汽车，提高电池组能量密度，延长续航里程。