《电动汽车用铝合金电池包下壳体》.doc

电动汽车用铝合金电池包下壳体编制说明2020年08月06日编制说明一、工作简况1 立项目的和意义随着世界能源危机和环境污染问题日益严重，汽车轻量化越来越受到人们的重视，轻量化对汽车节能减排的效果直接而显著。试验证明，对于传统燃油汽车，汽车整备质量每减轻10%，可降低油耗6%8%，排放下降3%4%；对于新能源纯电动汽车，汽车整备质量每减少10%，电耗下降5.5%，续航里程增加5.5%。同时汽车质量的降低可减小汽车制动距离，提高安全性能。所以，无论是对传统燃油汽车，还是对新能源汽车，汽车轻量化研究均具有重要意义。轻量化并非简单地将整备质量减轻，而是在保证强度和安全性能的前提下尽可能地降低整备质量并保证制造成本在合理范围内，以实现安全性和经济性的兼顾统一。电池包箱体作为动力电池的承载和防护机构，在电池包系统中占据重要位置，而且其整备质量目前偏大，具有较大的轻量化空间，同时对于电池包能量密度的要求逐步提高，使得电池包箱体轻量化发展迫在眉睫，解决电池包的轻量化主要从电池包箱体的材料和结构连接入手。电池包箱体的位置位于汽车的底盘，见图1。图1 电池包位于汽车位置示意图传统电池包箱体一般采用低碳钢钣金和焊接工艺加工而成，成本较低但箱体质量较大，严重影响电池包系统能量密度的提高和新能源汽车轻量化的进程，不符合发展趋势。目前针对电池包箱体轻量化的主要手段为轻量化材料应用和轻量化结构设计。电池包箱体轻量化材料应用主要包括铝合金材料、高强钢材料和复合材料的应用等，目前铝合金替代传统低碳钢在电池包箱体上得到了大范围的应用，铝合金箱体成为电池包箱体发展的一个重要方向。铝合金电池包箱体主要有铝型材箱体和铸铝箱体两种形式，其中铝型材箱体由于尺寸设计范围大、模具开发成本低、材料性能优越等优点获得了大量的关注。电池包箱体上盖采用热固性复合材料成型，如SMC、BMC等，已广泛应用于电池包生产。电池包箱体轻量化不仅涉及轻量化材料的应用，而且与箱体结构的合理设计密切相关，优化箱体结构设计也是实现汽车轻量化的一个重要途径。通过CAD/CAE/CAM一体化技术对电池包箱体总体结构进行分析和优化，实现箱体零部件的精简、整体化和轻量化，已成为电池包箱体开发中主要的设计方向。电池包安全性需考虑热管理，其不仅对电池的循环寿命、工作温度起着重要影响，对于电池包整体轻量化以及能量密度的提高也非常重要。在电池包现有的热管理轻量化上，冷板结构采用较多的是钎焊工艺和吹胀工艺，如口琴管、冲压板、吹胀板等。针对此类冷板结构，要单独放在电池箱体上，利用CFD仿真技术和参数设计，对冷板流道进行优化，保证电池的散热性。同时结合流固耦合仿真对冷板的结构进行轻量化设计，保证冷板结构强度。此外，将热管理系统集成于箱体结构中是目前实现整体结构轻量化研究和探讨的方向，该方法在下箱体内嵌入流道，或利用挤压型材布置流道，利用CFD、参数优化设计以及流固耦合的方法，来对内部流道以及结构进行优化。这种结构不仅可以直接承受模组的重量，也避免了单独冷板在恶劣工况下的泄露，同时实现了电池包整体的轻量化，对电池包系统的发展具有重大意义。2. 任务来源 全国有色标委会下达了电动汽车用铝合金电池包下壳体团体标准的起草任务，完成时间为2020年。3. 项目编制组单位状况简介3.1 编制组成员单位本文件由辽宁忠旺集团有限公司、广东省材料与加工研究所、广东和胜工业铝材股份有限公司、凌云工业股份有限公司、福建祥鑫股份有限公司、江阴东华铝材料科技有限公司、广东省工业分析检测中心、国标（北京）检验认证有限公司、山东南山铝业股份有限公司、福建省南平铝业股份有限公司、山东华建铝业集团有限公司、广东坚美铝型材厂（集团）有限公司、广东兴发铝业有限公司、广东凤铝铝业有限公司、龙口市丛林铝材有限公司、天津新艾隆科技有限公司、广东伟业铝厂集团有限公司、山东兖矿集团有限公司、捷安特轻合金科技（昆山）股份有限公司、东北轻合金有限责任公司、鼎美（昆山）新材料科技有限公司、江西理工大学、广东永利坚铝业有限公司、广东豪美铝业有限公司、西南铝业（集团）有限责任公司、山东裕航特种合金装备有限公司共同起草。4. 主要工作过程4.1 第一次标准工作会议2019年3月，由全国有色金属标准化技术委员会在株洲主持召开了电动汽车用铝合金电池包下壳体第一次工作会议，会议上对标准的起草任务进行落实，成立了标准编制组，编制组单位各自领取相关工作。4.2 第二次标准工作会议2019年7月，由全国有色金属标准化技术委员会在云南大理主持召开了电动汽车用铝合金电池包下壳体第二次工作会议，会议上编制组对标准的内容以及试验进展情况和试验数据进行了讨论，增加了6A66和7A21两个合金牌号，删除了压铸件、紧固件以及胶接部分，焊接存在问题的单位需重新补做试验，标准文稿中增加了附录部分。二、 标准编制原则 本文件起草单位自接受起草任务后，成立了本系列标准编制工作组，经过收集生产信息、检验数据、检测方法、市场需求及客户要求等信息，初步确定了电动汽车用铝合金电池包下壳体团体标准起草所遵循的基本原则和编制依据：（1） 标准内容全面，从材料到成品均有要求铝合金电池包下壳体涉及原材料为型材和板材，本文件中均有所规定；铝合金电池包下壳体涉及的基本要求，包括装配公差、焊接质量、涂层质量、气外壳防护等级11=111111、禁用物质和外观性能；铝合金电池包下壳体涉及质量保证性能，包括耐振动性能、耐湿热循环性能、抗盐雾腐蚀性能和耐挤压性能。（2） 产品为深加工产品，提高型材、板材等原材料的附加值铝合金电池包下壳体为深加工产品，需要经过焊接、胶接、铆接及螺接等形式将型材、板材连接起来；相对于原材料来说，经过深加工后的产品，在市场上的附加值高，使得众多原材料厂商转型深加工。（3） 替代钢制电池包下壳体，减轻电动汽车的重量，达到节能减排的效果铝合金质轻且强度高，其密度为铁的三分之一，较同等级别的电池包下壳体，可减重30%50%。电池包下壳体是电动汽车的核心部分，减少电池包下壳体重量，可减少能耗，提高电池包的能量密度，从而达到节能减排效果。三、 确定标准主要内容的依据1. 范围根据电动汽车用铝合金电池包下壳体（以下简称电池包下壳体）的产品指标，将该标准分为术语及定义、结构及连接方式、原材料质量保证、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存、订货单（或合同）内容等几方面。本文件涉及了电池包下壳体的所用材料，包括型材、板材；电池包下壳体的成品质量以及电池包下壳体工艺保证质量。本文件主要用于铝合金型材或板材为主制作而成的电池包下壳体，这里包括全部用铝合金型材或板材通过焊接方式形成的电池包下壳体，也包括主体为铝合金型材或板材组合而成，但一些零部件由压铸直接成型后通过焊接与主体连接的电池包下壳体。2. 术语与定义在术语与定义中主要用到了GB/T 19596-2017界定的术语，还有本文件的主体电池包下壳体的定义，主要从电池包下壳体的用途上进行定义，主要区别于电池包壳体，电池包壳体是一个封闭的空间，包括上盖，该上盖的材质一般为碳纤维，与铝合金并没有关系，所以，本文件没有包括上盖。3. 结构 本文件涉及到的电池包下壳体主要是型材和板材拼接而成的电池电池包下壳体，该电池电池包下壳体的灵活性大，可以满足各类车型。经调研（见表1），不同厂家不同车型的电池电池包下壳体的外观都不同，但是电池包下壳体的主要结构都会存在，就是底板，框架和吊耳。一般电池包下壳体主要的连接方式是焊接，底板的连接是搅拌摩擦焊，可以保证底板的承重性能。框架一般用弧焊，例如MIG、TIG。表1 不同汽车的结构图片序号项目代号图片1BMW SE122捷豹路虎X3913蔚来汽车ES8 4本田BT055长城汽车141E6BYD A67大众 Bora BEV8一汽 FME9北汽EJ1010BYD SAHF11东风小康 F50712博郡B314. 原材料质量保证4.1 铝合金型材本文件主要涉及的原材料是铝合金板材和型材。电池包下壳体用到型材牌号主要有6005、6005A、6063、6061、6082、6013、6351、6A66、7A21。这些牌号是由凌云、和胜、东华、裕航等企业提供的客户需求。本文件针对这九个牌号14个状态进行了试验。在标准中的附录A中，主要规定了铝型材的牌号状态、化学成分、尺寸偏差、力学性能、型材可焊性等内容，从原材料上保证了电池包下壳体的性能。本文件涉及两个新增铝型材牌号为6A66和7A21。该两种牌号是某企业为研发电池包下壳体专门研发出的两个牌号，该牌号已通过国家认证，本文件写明这两种牌号的化学成分和力学性能。4.2 铝合金板材 本文件除了型材外，还涉及一部分板材，一般板材用于底板，可以减少焊缝的存在，提高电池包下壳体的气密性。经向西南铝和天津忠旺两家企业了解，目前电池包下壳体涉及的牌号为5754和5182两个牌号，我公司已针对该牌号进行取样分析。本文件也对铝合金板材的牌号及状态、化学成分、尺寸偏差、力学性能和板材可焊性进行了规定。本文件写出的这些牌号的性能，一方面可以帮助主机厂进行在设计时有选择性，一方面可以规范铝型材厂质量要求。5. 要求 本文件涉及的是总成产品电池包下壳体。因此，在要求中主要是针对电池包下壳体进行规定。根据调研结果，电池包下壳体的主要检测项为装配公差、焊接要求、涂层性能、外壳防护等级、禁用物质和外观质量。5.1 装配公差作为总成件来说，装配公差是主要的检测指标。装配公差是确保电池包下壳体可以与汽车装配到一起的最基本的参数。由于电池包下壳体根据不同的车型，不同的主机厂，其装配公差也不同，因此，主要是根据客户在图纸上的装配公差要求，但是对于未标注的公差和角度公差可以按照GB/T 1804中m级的规定。GB/T 1804-2000中公差等级主要分为紧密f、中等m、粗糙c、最粗v共4个等级。表2和表3分别给出了线性尺寸的极限偏差数值和倒圆半径和倒角高度尺寸的极限偏差数值。未注明的形位公差需按照GB/T 1184-1996中k级规定。GB/T1184-1996中主要分为H、K、L三个等级，形位公差主要包括直线度和平面度、圆度、圆柱度。位置公差主要包括平行度、垂直度、对称度、同轴度、圆跳动。本文件涉及的电池包下壳体的形位公差和位置公差不能超过GB/T 1184-1996的规定。表2 未注直线公差等级极限偏差数值公差等级基本尺寸分段0.53366303012012040040010001000200020004000中等m±0.1±0.1±0.2±0.3±0.5±0.8±1.2±2表3 倒圆半径和倒角高度尺寸的极限偏差数值公差等级基本尺寸分段0.53366303中等m±0.2±0.5±1±2本文件除了满足客户需求外，还给出了几个重要指标，比如整车吊装位、上盖安装位、模组安装位等位置尺寸以及与整车安装时局部平面度和整体平面度，这几个数据是保证电池托盘能够安装到整车上的必要公差，在本文件里提出。5.2 焊接要求焊接是电池托盘的主要连接方式，由于焊接是热输入方式，因此电池托盘在焊接过程中容易变形，这就需要考虑焊接顺序及焊接工艺，保证焊接的尺寸和位置公差不能低于GB/T 19804-2005中C级的要求。保证焊接公差是保证整体尺寸的基础。焊接质量的好坏主要体现是否有缺陷，缺陷种类和缺陷数量。本文件涉及的电池托盘主要的焊接方式有两种，一种是搅拌摩擦焊，一种是弧焊。因此在本节规定了搅拌摩擦焊应符合GB/T 34630.5-2017的要求，弧焊应符合GB/T 22087-20008中C级要求。GB/T 22087中分为D、C、B三个等级，根据缺陷的不同，要求的个数、长度、种类、深度不同，具体的指标可见GB/T 22087的要求。搅拌摩擦焊属于自动焊，其质量较弧焊质量有很大的提高，因此，搅拌摩擦焊的焊接质量应符合GB/T 34630.5-2017的要求其检验方法可用目视、尺量、渗透、X射线等无损检测的方式来检验焊缝质量。抗拉强度是表征焊接性能的主要指标，但是该性能主要是在研发阶段进行，一般取与电池包下壳体相同的型材或板材，进行工艺摸索，检验工艺达到的性能，保证焊接工艺稳定性后，整体电池托盘就不需要再检测焊接抗拉强度。本文件规定了该性能，是为了让主机厂了解铝合金的性能，在开发阶段，可以参考该数值。本文件做了大量的焊接工作，经规定，弧焊焊缝抗拉强度应不低于母材抗拉强度的60%。若需方有特殊要求，由供需双方商定，并在订货单（或合同）中注明搅拌摩擦焊抗拉强度应不低于母材抗拉强度的70%。在电池包下壳体的应用环境以及主机厂的要求来说，电池包下壳体在使用过程中一直承受着动载荷，而电池包下壳体还是焊接而成，因此有可能有客户对做焊缝的焊接疲劳有要求，那需要由供需双方确定。5.3涂层性能因为电动汽车为了减重，增大续航能力，会将电池包下壳体直接作为底盘，因此，在底盘下会喷上PVC涂层，防止底部的碎石块击打底面而碎裂导致电池液泄露。有的主机厂会有自己专供的表面处理厂，因此在总成件时，不需要进行表面处理。而有的主机厂希望由供方直接提供表面处理后的电池包下壳体。因此本节是根据主机厂的要求进行。根据调研，电池包下壳体主要有PVC、阴极电泳两种表面处理方式，其中PVC涂层是位于电池包下壳体底面，其膜厚可达1mm以上，而阴极电泳是在电池托盘框架上进行的表面处理，为了表征该两项涂层的性能要求，主要从膜厚、干附着性、耐磨性、沸水附着力、耐沸水性、耐盐雾腐蚀性、耐热性、耐湿热性、高低温试验和耐冲击性。基本根据GB/T 8013.3和GB/T 8013.2中的相关性能进行的试验。我公司已从各个厂家取涂层试板，送至北京有色院进行检验，经检验结果得出电池包下壳体涂层性能要求。5.4 外壳防护等级由于电池包壳体是个密封件，因此，在制造电池包下壳体的时候，主机厂要求与配套的上盖配合后至少达到GB/T 4208-2017中IP67的级别，像宝马等大型主机厂已经要求达到IP68级别。IP67的外壳防护等级数字含义见表4。表4 外壳防护等级数字含义防护等级简要说明含义试验条件第一位数字6尘密无灰尘进入被试外壳按正常工作位置放入试验箱内，但不与真空泵连接。在正常情况下开启泄水孔，试验期间应保持开启。试验持续8h.试验后壳内无明显的灰尘沉积，即认为试验合格。第二位数字7防短时间浸水影响浸入规定压力的水中经规定时间后外壳进水量不致达有害程度被试外壳按生产厂规定的安装状态全部浸入水中，并满足下列条件：a)高度小于850mm的外壳最低点，应低于水面1000mm；b）高度等于或大于850mm的外壳最高点，应低于水面150mm；c）试验持续时间30min；d）水温与试样温差不大于5K。如果试样需要在带电和（或）在运行状态试验时，有关产品标准可对本要求另作规定。5.5 禁用物质 汽车是与人类生活息息相关的事物。因此，在国家以及全世界对汽车的要求都很高，其安全更是人类关注的事情。在使用材料时，禁用物质是每个汽车严格把控的重要指标。其禁用物质范围主要有铅或其化合物、汞或其化合物、镉或其化合物、六价铬、多溴联苯、多溴联苯醚六种物质，在GB/T30512-2014中有所要求。5.6 外观质量外观质量是检验电池托盘的最后一道工艺，该部分主要分为两项进行检查。主要针对的是未经过表面处理的电池包下壳体，一种是经过表面处理的电池包下壳体。针对为经过表面处理的电池包下壳体，主要检测的是焊缝的外观，不能有深度超过0.5 mm划痕和毛刺、裂纹、碰伤、印记、起皮、气泡等缺陷及焊渣、铝屑、沙土等杂物。而经过表面处理的电池包下壳体，主要检测的是涂层表面，主要其表面符合本文件中的涂层性能即可。6. 成品质量 成品质量保证是保证整体产品的质量，一般该项目在主机厂上做，主机厂一般是将所有配件组装成一个汽车，在汽车上做试验，例如撞击、挤压、振动等试验，做完以后，拆分部件，检验部件是否合格。但是对于总成件来说，应能达到客户要求，保证顾客的安全。因此，会在台架上做模拟试验，附录B中的试验是客户要求的试验，包括气密性、耐振动性、康机械冲击性、耐挤压性、抗盐雾腐蚀性能几项基本试验。均是考虑汽车在运行过程中可能遇到运行情况，模拟在发生危害时，汽车最大程度能给顾客的安全保障。四、 标准水平分析本标准根据我国市场情况首次制定。本标准在编制过程中进行了大量的数据收集和测试工作，同时兼顾了全国大部分电池包下壳体生产厂家的现状。通过文献检索，网上查询，国内没有关于电池包下壳体的相关国家、行业标准。目前型材生产技术已经成熟，且国内及国外已得到大规模普及，因此迫切需要制定该总成件的标准，对电池包下壳体的供应做出规范。本标准起草过程中主要参考了国内外客户的技术要求，同时结合国内企业生产技术水平。表1为本标准主要技术指标与国外客户A、国外客户B对型材技术要求的对比： 表5 国内外标准技术指标对比检验项目本标准客户1国客户2标准水平对比装配公差按图样要求按图样要求按图样要求相同焊接性能尺寸公差不低于GB/T19804-2005的C级要求无要求1) 箱体的焊接部位及采用工艺应符合图样要求； 2）弧焊部位坡口尺寸应严格按图样要求执行，对于未作规定的坡口尺寸，按GB/T 985.3相关规定执行；3）TIG焊或MIG焊焊接接头区域材料强度（包括焊道填料及热影响区域材料）大于母材强度70%；4) 搅拌摩擦焊焊接接头区域材料强度大于母材强度70%。本文件涉及的项目更多焊接质量弧焊不低于GB/T 22087-2008中C级要求客户要求不低于GB/T 34630.5-2017抗拉强度弧焊焊缝抗拉强度应不低于母材抗拉强度的60%无要求搅拌摩擦焊抗拉强度应不低于母材抗拉强度的70%无要求疲劳性能供需双方商定无要求涂层性能种类PVC阴极电泳无要求PVC本文件涉及的项目更多膜厚1mm2mm15m无要求干附着性0级无要求内聚破坏，大部分遗留，小部分脱落耐磨性落砂量不小于3300g无要求无要求沸水附着力0级无要求无要求耐沸水性GB/T 8013.2无要求无要求耐盐雾腐蚀性涂层应无气泡、开裂、脱落等现象（NSS-1200 h）涂层应无气泡、开裂、脱落等现象（CASS-24 h）无要求无起泡，单边扩蚀小于2mm耐热性涂层应无气泡、无裂纹、无焦化等现象无要求无气泡、无裂纹、无焦化耐湿热性不低于1级无要求无要求高低温试验涂层应无起泡、开裂等现象无要求无要求耐冲击性涂层应无裂纹、皱纹、脱落、漏底等现象 无要求无要求外壳防护等级IP67IP67IP67相同禁用物质GB/T 30512RoHSRoHS外观质量未经表面处理的电池包下壳体表面不准许有深度超过0.5 mm划痕和毛刺、裂纹、碰伤、印记、起皮、气泡等缺陷及焊渣、铝屑、沙土等杂物。经表面处理的电池包下壳体应符合表1的规定。产品表面整洁、平整、无油污，无铝屑等不良现象1）焊接结束后，需清理焊缝表面的飞溅和污物，并对所有焊缝进行100%外观检查；2）焊缝表面不得有裂纹、未熔合、夹渣、气孔、未焊透、咬边等缺陷；3）产品包装前需要对总成进行清洁处理，使得箱体外表面没有明显污渍和灰尘，确保整个产品外观的清洁；4）产品包装需要确保产品运输和储存过程中防尘防潮；本文件涉及的更全面综上所述，本标准的主要技术指标均达到国外先进汽车企业的电池包下壳体质量水平，其综合水平达到国际先进水平。五、 与现行相关法律、法规、规章及相关标准，特别是强制标准的协调性本文件属于电动汽车用铝合金电池包下壳体标准，没有现行的法律、法规、规章制度等对其要求，本领域未涉及强制标准。与GB/T 31467.3 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分：安全性要求与测试方法中涉及的电池包外壳的性能有相通性，本文件将涉及的电池包下壳体整体性能作为质量保证项目，使本文件更具有通用性并满足客户需求。六、 标准中涉及的专利或知识产权说明本文件不涉及任何专利或知识产权。七、 重大分歧意见的处理经过和依据 无八、 标准作为强制性或推荐性国家（或行业、团体）标准的建议 本文件建议作为团体标准。九、 贯彻标准的要求和措施建议9.1组织措施本文件涉及电动汽车用铝合金电池包下壳体的产品质量、生产要求等方面内容，生产企业、供应商、客户应认真学习贯彻本文件，规范电动汽车用铝合金电池包下壳体的产品质量，为促进行业发展，提高生产技术，规范市场质量产生了深远的影响。9.2技术措施本文件提供了电动汽车用铝合金电池包下壳体的性能指标和基本要求，为生产企业提供了产品生产思路，规范产品质量，为促进工艺研发、设备改进、提高质量、优化升级做出了卓越贡献。客户应根据本文件要求制定采购标准，规避产品质量问题带来的风险，对于特殊要求产品，建议供需双方在本文件基础上进行商定，并在订货单（或合同）中注明，同时起草专项技术协议。9.3过渡办法本文件首次制定，不存在与现有产品的冲突。在本文件实施前的过渡期间，如需采用本文件进行产品规范的供需双方可协商新标准具体的实施日期以保证产销的顺利进行。十、 废止现行有关的标准建议无十一、 技术先进性、创新性、标准实施的预期作用和效益本文件为电动汽车用铝合金电池包下壳体标准，在编制过程中，广泛征求行业内多家领先企业的生产制造技术与质量要求，确定电动汽车用铝合金电池包下壳体的结构特征、连接方式、质量要求、性能评价等多方面内容，填补了国内对于电动汽车用铝合金电池包下壳体的行业要求空白，规范企业生产技术，并与GB/T 31467.3 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分：安全性要求与测试方法产生联动，为推动行业技术发展，优化企业结构升级，提高企业对产品的精深加工能力，推动市场产品质量发挥指导性作用。本文件的制定、实施，将进一步推进新能源绿色汽车的发展与应用，符合我国十三五规划中对绿色环保、节能减排的要求。规范电池包下壳体的性能指标，有利于生产企业与客户之间的合作，增强行业市场经济的发展，并对铝合金精深加工业务提供新的发展方向，促进企业产品技术升级，设备结构优化，为铝合金产品制造企业转型发展提供了新的思路。