新能源汽車經過 20 多年的發展逐漸被大眾所認可，我國新能源汽車產銷量居世界第一，并且呈上升趨勢，我國也將新能源汽車產業作為我國七大戰略產業之一。新能源汽車主要是指采用非常規燃料（如汽油、柴油）作為動力來源，綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術的汽車，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展的重要方向之一，其主要采用電機驅動，電池作為能量來源，具有綠色環保無污染、噪音小等優勢。汽車重量是制約新能源汽車行駛距離的重要指標之一，車身輕量化已經成為新能源汽車行業重點考慮的問題之一。鋁合金由于其密度低、比強度高等優點，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用，早在1995 年德國奧迪公司開始批量生產鋁合金車身，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的重要組成部分，是電池系統安全性的重要保障；其重量占電池系統的20%-30%，它需要高精度、耐腐蝕、耐高溫、抗沖擊等性能，高強鋼由于其低成本，在大眾、豐田等車企中有較多的應用，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行考慮。

汽車電池總體結構可分為：動力電池模塊、結構系統、電氣系統、熱管理系統、BMS 等，圖1 為奧迪A3 Sportback-etron 混合動力車的PACK 結構組成。

圖 1 電池總體結構

動力電池模塊是新能源汽車動力輸出的核心部件，其負責能量的存儲與釋放，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行實時的檢測與控制；熱管理系統主要包括風冷、水冷、液冷等，熱管理系統可保證電池的溫度的恒定，調節汽車運行或環境中的溫度，保障電池的正常運轉；電池管理系統（BMS）可對電池進行保護，控制電池的電流大小及電池的充放電過程；結構系統即為新能源汽車電池托盤，它是電池系統的骨架，可為其它系統起到抗沖擊、抗震動及保護作用，電池托盤經歷了不同的發展階段，由最初的鋼制箱體，發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鋼，其具有價格經濟，有優良的加工及焊接性能，獲得許多公司的青睞，在實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，而鋼托盤因為有良好的抗石頭沖擊的能力。

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，在發生碰撞過程中易發生擠壓變形，從而使得電池發生破壞甚至引起火災；第三：鋼制電池托盤的耐腐蝕性能較差，在不同的環境中易發生化學腐蝕，從而引起內部電池的破壞。

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，其具有靈活的設計樣式，托盤成型后不需要進行進一步的焊接工序，因此其綜合力學性能較高；由于采用了鋁合金材料，因此其重量也進一步降低，這種結構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生欠鑄、裂紋、冷隔、凹陷、氣孔等缺陷，澆鑄后產品密封性較差，而且鑄造鋁合金的延伸率較低，在發生碰撞后易發生變形，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行生產。

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，具有設計靈活、加工方便、易于修改等優點；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行拼接，需要焊接的零件較多，工藝復雜。

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，以及螺栓連接等機械連接方法。

圖 5 電池托盤的結構

電池托盤的結構如圖 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的攪拌工具扎入待焊板材，通過摩擦產熱使待焊母材達到熱塑性狀態，在攪拌工具作用下形成焊接接頭。

攪拌摩擦焊目前已經成熟的應用到了電池托盤的生產焊接中，作為一種新興焊接技術，許多公司已經針對攪拌摩擦焊特性更改了電池托盤的結構設計。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（圖6）及機器人攪拌摩擦焊系統（圖7），攪拌摩擦焊專機具有剛性大，焊接過程穩定等特點，目前具備生產此設備能力的公司主要有北京賽福斯特、蘇州航天設備制造有限公司及廣東省焊接技術研究所等，其最大焊接區間范圍可達長3 米、寬2 米，最大主軸轉速可達2500rpm，最大焊接速度為2m 每秒。

圖6 攪拌摩擦焊專機

機器人攪拌摩擦焊系統由更高的自由度，可實現平面及空間位置的焊接，拓展了攪拌摩擦焊的使用范圍，其最大主軸轉速可達6000rpm，最大焊接范圍可達長4 米、寬4 米，最大焊接速度可達3 米每秒，目前國內正處于機器人攪拌摩擦焊系統的研制階段，廣東省焊接技術研究所開發的機器人攪拌摩擦焊系統集成了激光焊縫跟蹤系統、壓力控制系統，可實現焊接過程的位置控制和壓力實時的跟蹤控制，目前已經應用到電池托盤的焊接中，最大焊接速度達到1.5m/min。

圖 7 機器人攪拌摩擦焊系統

采用攪拌摩擦焊進行電池托盤的焊接同樣也有其局限性，因為其有較大的軸向力，因此在托盤底部需要支撐，而且采用機器人攪拌摩擦焊時，由于機器人的剛性不足缺點，焊接過程中機器人與焊件易發生共振而產生抖動，焊接過程中需要對其進行較大壓力的工裝。

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行焊接，因此只能采用TIG／MIG／CMT 等熔化焊進行焊接；鋼制托盤通常也采用熔化焊進行連接。

圖 8 弧焊角焊縫

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

3.3 螺栓連接與鉚接

螺栓連接與鉚接是兩種機械連接方法，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現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生松動。

作為新能源汽車的動力來源，電池托盤設計趨向于功能豐富、強度可靠的方向設計：水冷系統與電池托盤融合設計是目前正在開發的一種方案，替代了外置冷卻系統的設計，較大的提高了電池的散熱效率，如圖9 所示，將散熱系統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 散熱系統與底板相連結構

在極寒條件下，電池同樣需要進行保溫加熱，隔熱保溫系統、冷卻系統、防護系統在電池托盤上的綜合設計將會是未來電池托盤的發展方向。而且針對承載結構的多元化連接以及采用無強度減弱方式的鉚接、螺接技術與密封膠結合的設計也將是電池托盤在結構上的創新。