【技术帖】新能源汽车电池包下箱体生产工艺分析

目前，中国新能源汽车产业已进入快速发展的新阶段，未来高质量增长将是产业发展的重要方向。从规模看，中国已成为全球最大的新能源汽车市场，产销量连续8年稳居世界首位。随着全球气候问题的日益严峻和环保意识的不断提高，新能源汽车产业作为一种低碳、环保的交通方式，正逐渐成为世界各国关注的焦点。目前，新能源汽车技术不断进步，续航里程和充电设施等方面的问题也得到了逐步解决，市场需求逐渐增长。在政策支持和技术创新的推动下，新能源汽车产业已经成为全球汽车产业的重要发展方向。各国政府纷纷出台鼓励政策，加大对新能源汽车的研发和推广力度。

其中，新能源电池包是新能源汽车的核心部件，它为新能源汽车提供动力来源，而新能源电池包下箱体是电池包的重要组成部分，它对电池包的性能、安全和寿命具有重要影响。新能源汽车电池包下箱体是指安装在电池包底部的外壳，用于支撑、固定和保护电池包内部的电池模块、电池管理系统等组件。涉及新能源汽车电池包下箱体生产工艺相关的研究论文报告如：2020年，华南理工大学的陈元研究电池包多材料结构优化方法，建立多性能约束下电池包结构轻量化设计流程，为提升车用动力电池包结构可靠性和轻量化水平提供参考[1]；2020年，航天工程装备（苏州）有限公司的胡大武等以铝制电池包箱体为主体，阐述了其结构的变化到连接技术的演变，分别介绍了不同的连接技术在铝制电池包箱体上的应用[2]；2021年，零跑汽车有限公司的张明旺和谭学钢从提高生产效率和降本两方面出发，充分利用冲压车间原有冲床产线及焊涂车间原有电气化设备，以项目为导向，验证了使用冲压成型的钢下壳体进行工艺生产的可行性[3]；2023年史开旺针对新能源燃料电池箱体薄壁铸件，设计了铸件的低压铸造工艺，满足新能源燃料电池箱体的批量生产需求[4]；2024年，徐峰祥等为实现电池包箱体的轻量化设计，采用碳纤维复合材料取代传统金属构建电池包箱体结构，下箱体实现质量减轻58.9%，且各工况下的最大位移和最大应力均有所减小，电池包箱体动静态性能均得到提升[5]。

新能源汽车电池包下箱体主流生产工艺有钢冲压、高强钢辊压、钢铝混合、铝合金挤压和铝合金压铸等方案，每种方案都有各自的优缺点。下面针对电池包下箱体的相关生产工艺特点，结合笔者的生产应用经验进行分析探究。

钢冲压成型是一种金属加工方法，它通过使用模具和冲压设备，将金属板材在压力作用下变形成为所需的形状和尺寸。冲压成型工艺在汽车车身生产中应用最广，是非常成熟的一种生产工艺。钢冲压成型的电池包下箱体主要是使用一整块钢板按照电池包所需的尺寸和造型，冲压得到一个壳体，电池箱体其余位置需要的安装结构也同样使用冲压成型工艺成型得到，这些部件间主要使用电阻点焊进行焊接，局部位置（如整包安装支耳）使用二保焊焊接加强。整个外壳需要确保没有焊穿、开裂和夹杂等缺陷，避免后续气密性不能满足要求。冲压式电池包下箱体方案如图1所示。

图1 某冲压电池包下箱体总成

冲压式电池下箱体本体材料多选用延展性和性能都比较均衡的SAPH440或同级别的板材，其余支耳和支架部分则根据强度性能需要，选择普通的冲压成型钢。为满足箱体的绝缘防腐要求，箱体总成表面需要进行电泳黑漆或镀锌处理，安装点位置一般使用本体凸焊螺母+螺栓连接的方式。

冲压式电池下箱体得益于工艺成熟，因此生产效率很高，生产成本较低。但是由于零件尺寸通常都很大，冲压回弹、开裂等缺陷问题发生概率高，在零件开发前期要充分做好仿真分析，把大部分冲压问题都进行规避。冲压电池包下箱体结构多适用于微型车或小型车的电池包方案，虽然也有企业推出高强钢冲压的解决大型化应用方案，但冲压式的下箱体结构平台化拓展较困难，随着车企推出新车型的速度越来越快，平台开发成本控制压力越来越大，这种冲压式电池包结构方案逐步被适合平台化拓展的新工艺方案取代。

辊压成型是通过使用辊压机对高强钢板进行轧制，使其在辊压过程中发生塑性变形，从而获得所需要的形状和尺寸。一般而言，高强钢的屈服强度为460～1 100 MPa之间的钢材，超高强钢则是指屈服强度大于1 100 MPa的钢材。高强钢辊压成型与普通钢辊压成型最大的差异是使用的板材性能不同，其次是高强钢在辊压成型过程中，需要更高的压力和要求更严格的工艺控制来确保成型质量。宝钢研发的吉帕钢，形成DP钢、MS钢、CP/CH钢和TWIP钢等多个系列，自主设计开发应用于电池箱体，使用辊压成型的封闭截面腔体结构，使用DP1180钢成型边框和安装梁零件，零件最大强度可达到1 200 MPa。

如图2所示，周圈是边框，中间的5件是模组安装梁。一般工艺方案是边框使用激光焊接拼在一起，再使用激光焊将边框与冲压底板整圈焊接，以保证壳体的密封性。由于激光焊相对二氧化碳保护焊输入热量少，而且焊缝气孔率也更少，焊接后零件变形量和焊缝泄漏量会更少，因此适合用于该位置的焊接。焊接完成后的边框与底板组合体，使用电阻点焊的方式将底板与模组安装梁实现连接，模组安装梁两端接近边框的位置同样使用激光焊进行加强，模组安装梁上的模组安装孔位置，使用凸焊螺母的方式形成安装点。

图2 某辊压成型的电池箱体边框和安装梁爆炸图

辊压电池包下箱体方案应用了高强钢，因而可以使零件板材厚度减薄至1～1.2 mm，比传统冲压方案减重约20%。辊压由于零件是等截面的原因，在多车型平台化开发方面有天然优势。通常情况下，不同车型的电池包主要是尺寸和电量存在差异，但是整体结构布局都是基本相同的。当第一款电池包下箱体辊压截面开发成功后，后续平台车型只需要根据所开发的电池包外形尺寸，对边框长度、安装梁长度及安装梁位置进行调整即可完成主要框架的搭建，加上冲压底板就完成了新电池包下箱体关键部件的开发。而冲压底板零件由于结构简单，整体成本占比很小，也就无形中完成箱体的平台化开发。钢电池箱体本身就相对铝合金电池箱体等方案有着天然的价格优势，加上高强钢的应用有助于提升车身碰撞性能、高强钢应用后的轻量化效果以及平台化开发带来的成本优势，高强钢辊压电池包下箱体方案成为目前电池包下箱体开发方案的主流方向。

钢铝混合电池包下箱体方案结构思路与高强钢辊压电池包下箱体的类似，也是通过把关键的边框和安装梁焊接成型，然后在底部使用冲压底板形成密封腔体的方案路线。不同的是，钢铝混合电池包下箱体的边框和安装梁使用的是挤压铝合金，底板部分由液冷板和冲压钢板组成，也就是钢铝混合电池包下箱体方案集成了液冷板。一般液冷板使用3系铝合金冲压成型，由于3系铝合金材料性能一般，不能作为承托结构材料使用，因此本方案主要是通过安装梁结构和边框实现对电池包内部零件的重量承载。

如图3所示，边框与液冷板通过搅拌摩擦穿透焊进行连接，通过搅拌摩擦焊实现内侧单层密封效果；底板与边框通过螺栓连接，底板的主要作用是保证车辆在行驶时发生石击或碰撞，不会对铝合金部分产生损害，特别是保护材料强度较低的液冷板不被击穿而失效。

图3 典型钢铝混合电池包下箱体边框与底板截面结构

钢铝混合电池包下箱体方案结合了铝合金和钢材两种材料的优点，集成了液冷板，容易实现大尺寸电池包方案，同时还可以兼顾轻量化和控制成本的需求。

铝合金挤压是通过对铝合金坯料施加压力，使其在模具中变形，从而得到具有特定形状和尺寸的铝合金制品。应用铝合金挤压工艺的电池包下箱体，可以实现良好的轻量化效果，有助于提升电池包整体的能量密度，降低车辆行驶的能耗。但是随着全球经济进入下行周期，降本增效的压力越来越大，挤压铝合金相对钢零件较高的价格成为该工艺应用推广的阻碍。

如图4所示，铝合金挤压的下箱体由多块底板和边框组合而成，安装梁直接由底板一体挤压而成。材料一般使用6063-T6或6061-T6，各个底板间使用搅拌摩擦焊（Fricition Stir Welding, FSW）连接，其余搅拌摩擦焊无法达到的位置使用氩弧焊（MIG）进行焊接，安装支架和气密修复等位置则使用钨极惰性气体保护焊（TIG）或激光焊进行焊接，安装螺母有拉铆和压铆两种方式实现连接。

图4 某铝合金挤压电池包下箱体方案

铝合金挤压下箱体方案工艺成熟，模具价格低，开发前期投入较小，并且已经发展出超宽的扁挤压[6]和超薄挤压技术，可以一定程度上降低生产成本。但是受限于铝合金材料本身价格因素，同时纯挤压工艺的下箱体结构平台化效果不佳，逐步被成本优势大的辊压钢下箱体取代的趋势很明显。

铝合金压铸是将铝合金加热至熔融状态，然后将熔融金属通过压铸机的压射系统高速注入模具中，在高压力下冷却凝固成型，最终得到铝合金压铸制品的一个生产过程，压铸通常是指高压铸造。自2019年特斯拉公司公布其一体压铸的后车体零件方案后，迅速在行业内引起了一股一体压铸开发热潮。铝合金压铸工艺应用于电池包下箱体可以达成优秀的轻量化效果，生产效率高，容易配合车体结构形状成型一些复杂的单面结构，提升整车空间利用率。但是由于压铸方案开发所需的前期模具费用投入高等因素，目前该方案多用于合资品牌中单价较高的混动车型。

压铸工艺生产得到的零件与钢冲压零件类似，零件结构都是一个壳体，差异在于压铸方案可以在箱体内部直接成型所需的安装梁，以及安装螺柱结构，后期只需使用数控加工中心进行安装面和螺纹加工即可。压铸方案的下箱体容易实现气密，同时可以结合结构设计以及挤压铝合金的焊接，形成一体液冷结构，艾盛公司已经针对该方案申请了专利[7]。

铝合金压铸下箱体的优点明显，但是缺点也比较突出。最关键的缺点就是零件成本高，受限于铝合金材料本身的成本，天然就比钢材贵，再结合压铸模具和压铸设备，零件综合单价比钢件方案高50%。其次是零件的处理工艺问题，普通压铸材料成型后性能无法满足设计要求，需要进行热处理，热处理过程中零件容易发生变形等缺陷，会增加后续处理成本。目前，高强度免热处理压铸铝合金材料在国内发展很快，以上海交大丁文高、国内学者胡祖麟、重庆大学贾从波等研究团队都有相关材料的研发[8]。只是目前该类型的材料单价成本偏高，影响了材料和压铸工艺在电池包下箱体的应用推广速度。表1将各种工艺方案的电池包下箱体优缺点进行了汇总。

表1 各种工艺方案电池包下箱体的推荐指数表

新能源汽车中关键的电池包下箱体生产工艺方案选择，对电池包整体轻量化和成本有很大的影响。笔者基于自身的经验，对行业内主流的下箱体工艺方案进行分析总结，总体而言，目前生产应用方案是以钢铝混合和纯挤压铝合金焊接而成的下箱体为主。随着高强钢和超高强钢辊压工艺的逐渐成熟，高强钢辊压方案良好的成本优势、轻量化和平台化效果，很快就成为各主机厂争相研究开发的重点方案。本文对相关生产工艺的分析，为后续电池包项目开发做一些参考，助力行业实现降本增效的要求，完成碳中和的目标。