新能源汽車經(jīng)過 20 多年的發(fā)展逐漸被大眾所認(rèn)可，我國新能源汽車產(chǎn)銷量居世界第一，并且呈上升趨勢，我國也將新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為我國七大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。新能源汽車主要是指采用非常規(guī)燃料（如汽油、柴油）作為動力來源，綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)的汽車，新能源汽車包括四種類型，混合動力電動汽車(HEV)、純電動汽車(BEV)、燃料電池電動汽車(FCEV)、其他新能源（如超級電容器、飛輪等高效儲能器）汽車等；純電汽車作為是我國發(fā)展的重要方向之一，其主要采用電機(jī)驅(qū)動，電池作為能量來源，具有綠色環(huán)保無污染、噪音小等優(yōu)勢。汽車重量是制約新能源汽車行駛距離的重要指標(biāo)之一，車身輕量化已經(jīng)成為新能源汽車行業(yè)重點(diǎn)考慮的問題之一。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。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，高強(qiáng)鋼由于其低成本，在大眾、豐田等車企中有較多的應(yīng)用，而鋁合金雖然可以減輕托盤的重量，但其成本較高約為鋼的3-5 倍，而且電池托盤一直處在重載荷狀態(tài)中，但鋁合金的疲勞性能也只有鋼的一半，彈性模量只有鋼的1/3，因此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，圖1 為奧迪A3 Sportback-etron 混合動力車的PACK 結(jié)構(gòu)組成。

圖 1 電池總體結(jié)構(gòu)

動力電池模塊是新能源汽車動力輸出的核心部件，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，抵押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，由最初的鋼制箱體，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。

2.1 鋼制電池托盤

目前鋼制電池托盤（如圖 2 所示）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，獲得許多公司的青睞，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。

圖 2 鋼制電池托盤

鋼制托盤也存在其局限性，第一：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；第二：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)；第三：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。

2.2 鑄鋁電池托盤

鑄鋁電池托盤（如圖 3 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。

圖 3 鑄鋁電池托盤

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)。

2.3 擠壓鋁合金電池托盤

擠壓鋁合金電池托盤（如圖4）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。

圖 4 擠壓鋁合金電池托盤

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。

電池托盤的拼接主要存在于擠壓鋁合金電池托盤中，常用的拼接方法包括了攪拌摩擦焊、TIG、MIG、CMT 等焊接方法，以及螺栓連接等機(jī)械連接方法。

圖 5 電池托盤的結(jié)構(gòu)

電池托盤的結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，鋁合金底板的拼接以及底板與框架的焊接采用攪拌摩擦焊，框架之間的連接采用TIG/MIG/CMT 等熔焊焊接方法；一些零部件與電池托盤的連接常采用螺栓連接的方法。

3.1 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是一種固相焊接方法，其原理是采用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具扎入待焊板材，通過摩擦產(chǎn)熱使待焊母材達(dá)到熱塑性狀態(tài)，在攪拌工具作用下形成焊接接頭。

攪拌摩擦焊目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用到了電池托盤的生產(chǎn)焊接中，作為一種新興焊接技術(shù)，許多公司已經(jīng)針對攪拌摩擦焊特性更改了電池托盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用攪拌摩擦焊焊接主要有兩種方式，主要為攪拌摩擦焊專機(jī)（圖6）及機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)（圖7），攪拌摩擦焊專機(jī)具有剛性大，焊接過程穩(wěn)定等特點(diǎn)，目前具備生產(chǎn)此設(shè)備能力的公司主要有北京賽福斯特、蘇州航天設(shè)備制造有限公司及廣東省焊接技術(shù)研究所等，其最大焊接區(qū)間范圍可達(dá)長3 米、寬2 米，最大主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)2500rpm，最大焊接速度為2m 每秒。

圖6 攪拌摩擦焊專機(jī)

機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)由更高的自由度，可實(shí)現(xiàn)平面及空間位置的焊接，拓展了攪拌摩擦焊的使用范圍，其最大主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)6000rpm，最大焊接范圍可達(dá)長4 米、寬4 米，最大焊接速度可達(dá)3 米每秒，目前國內(nèi)正處于機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)的研制階段，廣東省焊接技術(shù)研究所開發(fā)的機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成了激光焊縫跟蹤系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)焊接過程的位置控制和壓力實(shí)時的跟蹤控制，目前已經(jīng)應(yīng)用到電池托盤的焊接中，最大焊接速度達(dá)到1.5m/min。

圖 7 機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)

采用攪拌摩擦焊進(jìn)行電池托盤的焊接同樣也有其局限性，因?yàn)槠溆休^大的軸向力，因此在托盤底部需要支撐，而且采用機(jī)器人攪拌摩擦焊時，由于機(jī)器人的剛性不足缺點(diǎn)，焊接過程中機(jī)器人與焊件易發(fā)生共振而產(chǎn)生抖動，焊接過程中需要對其進(jìn)行較大壓力的工裝。

3.2 熔化焊

熔化焊主要使用在電池托盤框架的焊接中，由于這些區(qū)域位于邊框的四個角（如圖 8 為弧焊角焊縫）無法使用攪拌摩擦焊進(jìn)行焊接，因此只能采用TIG／MIG／CMT 等熔化焊進(jìn)行焊接；鋼制托盤通常也采用熔化焊進(jìn)行連接。

圖 8 弧焊角焊縫

但熔化焊由于熱輸入大，焊接熱影響區(qū)大，從而其強(qiáng)度較低，且焊后工件易發(fā)生變形；焊接過程中的氣孔缺陷也會導(dǎo)致托盤發(fā)生泄漏。

3.3 螺栓連接與鉚接

螺栓連接與鉚接是兩種機(jī)械連接方法，目前主要用在零部件與托盤主體之間的連接中，采用此連接方法可以更好實(shí)現(xiàn)零部件與電池托盤主體的拆裝，但其連接在車輛行駛過程中易產(chǎn)生松動。

作為新能源汽車的動力來源，電池托盤設(shè)計趨向于功能豐富、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，如圖9 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。

圖 9 散熱系統(tǒng)與底板相連結(jié)構(gòu)

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。