电池组外壳的轻量化对于提高电池组的能量密度具有重要意义。

以铝合金型材为主要结构的电池组外壳研究，对铝合金型材断面、搅拌摩擦焊接头、连接工艺等进行分析研究，并在成本、加工性等方面进行综合比较，通过设计CAE 对方案进行分析和验证。

合理的结构设计和连接方式可以有效保证壳体的整体强度，降低加工难度，减轻壳体的重量，为电池组壳体的轻量化设计提供参考。

经过近年来的快速发展，我国已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以及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。

提高电池能量密度有两种途径：一是提高单体电池比能量；二是提高电池能量密度。 二是电池组结构轻量化。 提高单体电池比能量技术难度大、研发周期长、资金投入大。 相比之下，更容易实现电池组的轻量化结构。

大众娱乐铝合金在汽车上的应用早已很普遍。 铝合金具有密度低、比强度高、热稳定性好、耐腐蚀和导热性好、无磁性、易成型、回收价值高等优点。 因此，它是电池组轻量化设计的理想材料。

目前，电池包外壳材料的主流方案是挤压铝合金外壳+PP/玻纤复合上盖。

从目前的发展来看，铝合金外壳+塑料上盖的方案具有轻量化的前景。 外壳采用铝挤压型材+搅拌摩擦焊+MIG焊接方案。 综合应用成本低，性能满足要求，可集成水冷电池循环水道。

上盖采用非金属上盖，主要采用PP/玻纤+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。

铝合金电池组外壳已在不少新能源汽车上得到应用，如比亚迪宋唐、蔚来ES8、北汽EV系列等，该外壳可以提高电池组的能量密度，增加续航里程。 可见铝合金电池组外壳具有广阔的市场前景。

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大众娱乐01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大众娱乐组成，采用6系挤压型材焊接而成。

大众娱乐为了保证焊接强度和密封性，选用低应力、小变形的搅拌摩擦焊。 适用于铝合金型材的标准件一般有钢丝螺套、拉铆螺母、压铆螺母等。

除标准件外，其余均采用100%铝合金制成。 外壳强度高、重量轻、耐腐蚀性能好。

图1 铝合金电池组外壳图

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02设计方案介绍

1 截面结构及材料

框架和底板为铝合金挤压型材。 材质一般有6061-T6（屈服强度，抗拉强度）、6005A-T6（屈服强度，抗拉强度）和6063-T6（屈服强度，抗拉强度）等，具体选用牌号应根据截面复杂程度、成本、模具消耗等因素综合考虑。

大众娱乐这些材料的强度顺序为：6061-T6>6005A-T6>6063-T6。 相同截面挤压难度为：6061-T6>6005A-T6>6063-T6。

图2是框架的典型横截面，它由多个空腔组成。 材质为6061-T6，最薄壁厚为2毫米。

车架的加工方式主要有两种：一是挤压整体型材，然后机加工。 零件整体性好，强度有保证，但加工量大，成本高； 另一种是采用型材焊接。 此方法此方案成本较低，但焊缝强度较弱，需要验证焊缝强度是否满足要求。

大众娱乐在实际生产中，应综合考虑，选择最佳的设计方案。

图2 边框部分

图3是底板的典型横截面，其由多个空腔组成，包括上部突起。 上部凸起主要用于电池模块的安装。

由于截面尺寸较大，厚度仅为2mm，因此选用材料6005A-T6。 如果上突出部需要安装钢丝螺套金属托盘厂家，则可以将上腔体做成实心的。

非安装部件可以用数控设备拆除，在保证强度的同时可以最大限度地减轻重量。

图3 底板剖面图

框架和底板是电池模组的载体，具有较高的强度要求。 因此，一般采用带空腔的双层截面金属托盘厂家，以保证强度。 底板厚度一般为10mm左右，壁厚为2mm。 单层铝板很少使用。

由于6063-T6材质较软，主要用于截面复杂或应力较小的零件。

2 连接设计

大众娱乐铝合金电池组外壳的连接方式主要有：搅拌摩擦焊、MIG、铆接、压铆，还有少量的弧焊、胶接等。

底板与底板、底板与框架的连接主要采用搅拌摩擦焊。 焊缝强度可达母材的80%左右。

与普通熔焊解决方案相比，搅拌摩擦焊具有以下突出优点：

图4显示了基板轮廓的搅拌摩擦焊接头。 板对接接头采用双面焊在基板之间。 双面焊接强度高、变形小。

搅拌摩擦焊过程中，工件上会受到很大的向下的力。 因此，需要增加型腔内筋和圆角的厚度。 焊接深度越大，加强筋和角焊缝就越大。

表1给出了焊接厚度与型材尺寸的对应关系。

图4 底板剖面图

表1 焊接厚度与型材厚度对应关系

大众娱乐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；一种是双面搅拌摩擦焊。 另一种是外部搅拌摩擦焊和内部电弧焊+涂胶。

大众娱乐两种不同的连接方式所使用的铝合金接头也不同。

大众娱乐图5为框架与底板双面搅拌摩擦焊接头形式。 为了给搅拌头预留足够的空间，机架与底板连接处的延伸长度应足够长，避免机架与搅拌头发生干涉，以免增加机架型材尺寸以及挤压的难度。 但双面焊强度高、变形小，这也是它的主要优点。

大众娱乐图6为外搅拌摩擦焊+内MIG焊。 基板外侧需搭接型材框架，型材框架搭接处应做得牢固，以满足搅拌摩擦焊的要求，并为焊接提供支撑； 内侧需采用MIG焊，根据情况采用满焊或间断焊。

这种连接方式效率高、难度大、成本低。 但由于内部采用电弧焊，焊缝可能存在漏水风险。 因此必须重新涂抹密封胶才能保证密封，这也是一个缺点。

图5 框架与底板双面搅拌摩擦焊示意图

大众娱乐图6 框架与底板外部搅拌摩擦焊+内部MIG焊

3 密封设计

大众娱乐由于车辆行驶环境的复杂性，特别是电池组安装在车辆底盘下方或较低区域时，当电动汽车遇到涉水、大雨等危险工况时，可能会导致电池的电气损坏。是由于水蒸气的侵入造成的。 失效、短路、漏液等危险，因此必须为电池系统提供防水、防尘的环境。

电池组的密封性直接影响电池系统的工作安全，进而影响电动汽车的使用安全。

通常要求电池组的密封防护等级达到IP67，以保证电池组密封防水，使电池组不会因进水而发生短路。

大众娱乐铝合金电池组外壳底板之间应采用搅拌摩擦焊。 由于搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，因此金属基材在焊接过程中不会熔化。 因此，与熔焊相比，气孔、裂纹等缺陷的发生率降低。 因此，为了更好地保证密封性，应优先选用这种焊接方法。

如果框架与底板之间采用电弧焊，则需要涂焊缝密封胶以保证密封。 虽然外壳与上盖之间采用了发泡硅胶来保证密封性，但所连接的标准件本身也必须保证其密封性。 壳体法兰一般采用M5拉铆螺母。

目前已有厂家生产表面带胶的压铆螺母，可专门用于电池组的防水密封。 胶水通过压铆螺母的塑性变形起到密封作用。

大众娱乐前端使用的抽芯铆螺母不需要单独加工，因为它具有一定的密封作用，外部附件也有密封圈。

如果发现漏水，可以涂胶水。

4 电池组外壳钢与铝合金重量对比

铝的密度约为钢的1/3，是轻量化的理想材料。

大众娱乐表2为某钢质电池组外壳的渗铝情况。 从表2的数据可以看出，减肥效果达到26.7%。 在电池组外壳中采用铝代替钢，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。

表2 钢、铝合金电池组外壳重量对比

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03 仿真分析

根据GB/T 31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力电池组及系统第3部分：安全要求和试验方法》，对铝合金电池组外壳强度、振动、挤压等方面进行仿真分析。

图7为铝合金电池组外壳的仿真分析结果。

在：

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04经验总结

大众娱乐1、6061-T6和6005A材料的性能均能较好地满足设计要求。

2、挤压截面结构一体化虽然加工量大、成本高，但有利于提高电池组的强度，可以综合考虑。

大众娱乐3、搅拌摩擦焊既能保证焊缝强度又能保证密封。 是电池组外壳的最佳焊接方法。

大众娱乐4、标准件采用具有防水功能的拉铆螺母。

5、型材焊接铝合金电池组外壳具有成本低、减重效果好的特点。 减重效果达25%以上。 可用于新能源汽车，提高电池组能量密度，延长续航里程。