新能源汽車(chē)經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展逐漸被大眾所認(rèn)可，我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量居世界第一，并且呈上升趨勢(shì)，我國(guó)也將新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)七大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。新能源汽車(chē)主要是指采用非常規(guī)燃料（如汽油、柴油）作為動(dòng)力來(lái)源，綜合車(chē)輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)的汽車(chē)，新能源汽車(chē)包括四種類(lèi)型，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)、純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCEV)、其他新能源（如超級(jí)電容器、飛輪等高效儲(chǔ)能器）汽車(chē)等；純電汽車(chē)作為是我國(guó)發(fā)展的重要方向之一，其主要采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電池作為能量來(lái)源，具有綠色環(huán)保無(wú)污染、噪音小等優(yōu)勢(shì)。汽車(chē)重量是制約新能源汽車(chē)行駛距離的重要指標(biāo)之一，車(chē)身輕量化已經(jīng)成為新能源汽車(chē)行業(yè)重點(diǎn)考慮的問(wèn)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(chē)身性能時(shí)仍能保證其剛性，在汽車(chē)輕量化工程中得到廣泛應(yīng)用，早在1995 年德國(guó)奧迪公司開(kāi)始批量生產(chǎn)鋁合金車(chē)身，近年來(lái)特斯拉、蔚來(lái)汽車(chē)等新興新能源汽車(chē)造車(chē)廠(chǎng)商也開(kāi)始提出全鋁車(chē)身概念，包括鋁合金車(chē)身、車(chē)門(mén)、電池托盤(pán)等。電池托盤(pán)是新能源汽車(chē)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(chē)企中有較多的應(yīng)用，而鋁合金雖然可以減輕托盤(pán)的重量，但其成本較高約為鋼的3-5 倍，而且電池托盤(pán)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(chē)電池總體結(jié)構(gòu)可分為：動(dòng)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(dòng)力車(chē)的PACK 結(jié)構(gòu)組成。

圖 1 電池總體結(jié)構(gòu)

動(dòng)力電池模塊是新能源汽車(chē)動(dòng)力輸出的核心部件，其負(fù)責(zé)能量的存儲(chǔ)與釋放，決定了汽車(chē)的行駛里程，是新能源汽車(chē)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(xiàn)束、低壓線(xiàn)束和繼電器組成，高壓線(xiàn)束可將能量輸送到各個(gè)所需部件中，抵押線(xiàn)束可對(duì)各類(lèi)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)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(chē)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(duì)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(guò)程；結(jié)構(gòu)系統(tǒng)即為新能源汽車(chē)電池托盤(pán)，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(dòng)及保護(hù)作用，電池托盤(pán)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(pán)，并且朝著效率更高的銅合金電池托盤(pán)發(fā)展。

2.1 鋼制電池托盤(pán)

目前鋼制電池托盤(pán)（如圖 2 所示）主要采用的材料為高強(qiáng)鋼，其具有價(jià)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(pán)受到不同工況的影響，如易受到碎石的沖擊等，而鋼托盤(pán)因?yàn)橛辛己玫目故^沖擊的能力。

圖 2 鋼制電池托盤(pán)

鋼制托盤(pán)也存在其局限性，第一：其重量較大，裝載于車(chē)身時(shí)是影響新能源汽車(chē)的續(xù)航里程的重要因素之一；第二：鋼制電池托盤(pán)由于其剛性較差，在發(fā)生碰撞過(guò)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(pán)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(pán)

鑄鋁電池托盤(pán)（如圖 3 所示）采用整體一次成型，其具有靈活的設(shè)計(jì)樣式，托盤(pán)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(pán)常用于小能量電池包中。

圖 3 鑄鋁電池托盤(pán)

但由于鋁合金在鑄造過(guò)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(duì)于大容量的電池托盤(pán)無(wú)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(pán)

擠壓鋁合金電池托盤(pán)（如圖4）是目前主流的電池托盤(pán)設(shè)計(jì)方案，其通過(guò)型材的拼接及加工來(lái)滿(mǎn)足不同的需求，具有設(shè)計(jì)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(pán)具有高剛性、抗震動(dòng)、擠壓及沖擊等性能。

圖 4 擠壓鋁合金電池托盤(pán)

但由于采用拼接方法，需要將不同的部件通過(guò)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(pán)的拼接主要存在于擠壓鋁合金電池托盤(pán)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(pán)的結(jié)構(gòu)

電池托盤(pán)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(pán)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(guò)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(pán)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(duì)攪拌摩擦焊特性更改了電池托盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(zhuān)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(zhuān)機(jī)具有剛性大，焊接過(guò)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(zhǎng)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(zhuān)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(zhǎng)4 米、寬4 米，最大焊接速度可達(dá)3 米每秒，目前國(guó)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(kāi)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(guò)程的位置控制和壓力實(shí)時(shí)的跟蹤控制，目前已經(jīng)應(yīng)用到電池托盤(pán)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(pán)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(pán)底部需要支撐，而且采用機(jī)器人攪拌摩擦焊時(shí)，由于機(jī)器人的剛性不足缺點(diǎn)，焊接過(guò)程中機(jī)器人與焊件易發(fā)生共振而產(chǎn)生抖動(dòng)，焊接過(guò)程中需要對(duì)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(pán)框架的焊接中，由于這些區(qū)域位于邊框的四個(gè)角（如圖 8 為弧焊角焊縫）無(wú)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(pán)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(guò)程中的氣孔缺陷也會(huì)導(dǎo)致托盤(pán)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(pán)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(pán)主體的拆裝，但其連接在車(chē)輛行駛過(guò)程中易產(chǎn)生松動(dòng)。

作為新能源汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，電池托盤(pán)設(shè)計(jì)趨向于功能豐富、強(qiáng)度可靠的方向設(shè)計(jì)：水冷系統(tǒng)與電池托盤(pán)融合設(shè)計(jì)是目前正在開(kāi)發(fā)的一種方案，替代了外置冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(pán)上的綜合設(shè)計(jì)將會(huì)是未來(lái)電池托盤(pán)的發(fā)展方向。而且針對(duì)承載結(jié)構(gòu)的多元化連接以及采用無(wú)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(jì)也將是電池托盤(pán)在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。