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电池组外壳轻量化对于提高电池组的能量密度具有重要意义。

研究以铝合金管为主要结构的电池壳，对铝合金管截面、搅拌摩擦点焊接头、连接技术等进行分析研究，从成本和工艺性等方面进行综合比较。 对该方案进行了分析验证。

合理的结构设计和连接方式可以有效保证外壳的整体硬度，增加加工难度，减轻外壳重量，为电池包外壳的轻量化设计提供参考。

经过近几年的快速发展，我国已成为全球新能源汽车产销量第一的国家。 随着国家2019年新能源汽车补贴政策的出台以及对续航里程要求的提升，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：一种是降低单体电池的比能量； 另一个是减轻电池组的重量。 提高单体电池的比能量技术难度大，开发周期长，资金投入大。 相比之下，更容易实现电池组的轻量化结构。

铝合金在车辆上的应用并不少见。 铝合金具有密度小、比硬度高、热稳定性好、耐腐蚀、导热性好、无磁性、易成型、回收利用价值高等优点，是电池轻量化设计的理想材料包。

目前电池包外壳材料的主流方案是挤压铝合金外壳+PP/玻纤复合材料顶盖。

就目前的发展来看，铝合金外壳和塑料上盖的方案，具有轻量化的前景。 外壳采用挤压铝材+搅拌摩擦焊+MIG焊方案，综合应用成本低，性能满足要求，可实现风冷电池循环水道一体化。

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

铝合金电池包外壳已经应用于多款新能源汽车，如奇瑞宋唐、蔚来ES8、北汽EV系列等，外壳可以提高电池包的能量密度，降低续航里程。 由此可见，铝合金电池包外壳具有广阔的市场前景。

01 铝合金电池包外壳结构

典型的铝合金拼焊电池组外壳如图1所示，外壳主要由铝合金管架和铝合金管底板，采用6系挤压铝材拼焊而成。

为保证点焊的硬度和密封性，选用低挠度、小变形的搅拌摩擦焊。 适用于铝合金管材的标准件通常有钢丝螺套、盲铆螺钉、压铆螺钉等。

除标准件外，其余均为100%铝合金。 外壳硬度高、重量轻、耐腐蚀性好。

图1 铝合金电池封装外壳

02设计方案介绍

1 断面结构与材质

框架和底板由挤压铝合金制成。 材料通常有6061-T6（屈服硬度，延伸硬度）、6005A-T6（屈服硬度，延伸硬度）和6063-T6（屈服硬度，延伸硬度）等，根据材料的复杂程度截面、成本、模具消耗和其他诱因来考虑选择哪种钢种。

这些材料的硬度为：6061-T6>6005A-T6>6063-T6，同截面挤压难度为：6061-T6>6005A-T6>6063-T6。

图2是框架的典型截面，由多个型腔组成，材料为6061-T6，壁厚最薄处为2mm。

车架的加工方案主要有两种：一种是整体铝挤压，然后进行机加工，零件整体性好，硬度有保证，但加工量大，成本高； 另一种是用铝拼焊。 ，该方案成本低，但熔池硬度较弱，需要验证熔池硬度是否满足要求。

在实际生产中，应综合考虑，选择最佳设计方案。

图2 框架部分

图3是底板的典型截面图，底板由多个空腔组成，包括下方的凸起，主要用于电池模组的安装。

由于断面规格大，长度仅为2mm，选用材料6005A-T6。 底部凸起如需安装钢丝螺纹套，可将下腔做实心。

非安装件可通过CNC设备去除，在保证硬度的同时使重量最轻。

图3底板截面

边框和底板是电池模组的承载体，对硬度的要求比较高，所以通常采用单层带工件的截面来保证硬度。 底板的长度通常为10mm左右，壁厚为2mm。 很少使用双层铝。

6063-T6材质较软，主要用于截面复杂或受力较小的零件。

2 连接设计

铝合金电池组外壳的主要连接方式有：搅拌摩擦点焊、MIG、铆接、压铆以及少量的钎焊和涂胶。

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

与普通烧蚀方案相比，搅拌摩擦钎焊具有以下突出优点：

图4为铝底板搅拌摩擦钎焊接头，底板与底板两侧采用板对接方式进行钎焊。 双面钎焊硬度高，变形小。

在搅拌摩擦钎焊过程中，型腔上会产生很大的下压力。 因此，有必要减少工件的内部加强筋和圆角的长度。 钎焊深度越大模压托盘缺点，肋和圆角就越大。

表1为点焊长度与铝材规格的对应关系。

图4底板截面

表1 钎焊长度与铝材长度的对应关系

框架与底板的连接形式主要有两种：一种是双面搅拌摩擦钎焊； 另一种是外摩擦搅拌钎焊和内钎焊+涂层。

两种不同的连接形式所采用的铝合金接头也不同。

图5为框架与底板双面搅拌摩擦点焊连接方法。 为给搅拌头预留足够的空间，框架与底板的连接处的厚度应足够长，以防止框架与搅拌头发生干涉，以免降低产品的规格和挤压难度。铝框。 但双面钎焊硬度高，变形小，这也是它的主要优点。

图 6 显示了两侧的搅拌摩擦钎焊 + 外侧的 MIG 钎焊。 底板的两侧需要搭接在铝框上，铝框的搭接处要牢固，以满足搅拌摩擦钎焊的要求，为钎焊提供支撑； 外侧为MIG钎焊，根据情况选择满焊或断续钎焊。

这种连接方式效率高、难度低、成本低，而且由于内部采用点焊，可能存在熔池渗水的风险。 所以需要重新打密封胶来保证气密性，这也是一个隐忧。

图5 框架两侧和底板的搅拌摩擦钎焊

图6 框架和底板外部搅拌摩擦钎焊+内部MIG钎焊

3 密封设计

由于车辆行驶环境的复杂性，特别是当电池组安装在汽车发动机下方或较低位置时，当电动汽车遇到涉水、暴雨等危险情况时，可能会导致电池电气损坏是由于水汽侵入造成的。 因此，需要为电池系统提供防水防尘的环境。

电池包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安全。

一般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漏电。

铝合金电池组外壳底板与底板之间应采用搅拌摩擦钎焊。 由于搅拌摩擦钎焊是一种液相连接技术，金属母材在点焊过程中不会熔化。 因此，与熔化钎焊相比，减少了气孔、裂纹等缺陷的发生。 因此，为更好地保证密封性能，钎焊应优先选用此类钎料。

如果框架与底板内侧之间采用点焊，则需要涂熔池密封胶以确保气密性。 好像是用发泡硅胶来保证外壳和上盖之间的密封性，连接的标准件本身也要保证密封性。 外壳法兰通常使用M5抽芯铆钉。

目前模压托盘缺点，已有厂家生产出表面带胶的铆钉螺丝，可专门用于电池组的防水密封。 通过铆钉的塑性变形，使胶水起到密封作用。

后端使用的螺孔压铆螺钉有一定的密封作用，外部附件也有密封圈，不再单独处理。

如发现渗漏，可进行涂装。

4、电池壳钢材与铝合金重量对比

铝的密度约为钢的1/3，是轻量化的理想材料。

表2为某钢制电池组外壳镀铝情况。 从表2数据可以看出，减肥效果达到了26.7%。 电池包外壳以铝代钢，不仅可以提高电池包的能量密度，也可以减少汽车的续航里程。

表2 钢制和铝合金电池包外壳重量对比

03 仿真分析

根据GB/.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池组及系统》第三部分：安全要求和试验方法，对铝合金电池组外壳的硬度、振动、挤压等方面进行仿真分析.

图7为某铝合金电池包外壳仿真分析结果

在：

04 经验推论

1、6061-T6和6005A材料的性能均能较好地满足设计要求。

2、挤压断面结构一体化看似加工量大，成本高，但有利于电池包硬度的提升，可以综合考虑。

3、搅拌摩擦钎焊既能保证熔池硬度，又能保证密封性。 是电池组外壳的最佳钎焊形式。

4、标准件采用具有防水功能的铆钉螺丝。

5、采用拼焊型材制作的铝合金电池组外壳具有成本低、减重效果好的特点。 减肥效果在25%以上。 可应用于新能源汽车，提高电池组能量密度，延长续航里程。

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