電池包頂蓋的設計與制造*

寧水根 付浩

（1.九江職業(yè)技術學院；2.寧德時代動力電池研究院）

動力電池是電動汽車產業(yè)核心技術之一，影響著電動汽車的性能與安全[1-2]。電池包能量密度在一定程度上增加續(xù)駛里程，但在安全可靠性上卻增加了風險。除了在電池能量密度上的性能提升以外，電池包的集成結構件的減重也得到了行業(yè)界一致的認可。國內外研究人員對電池包輕量化進行了大量的探索與驗證[1,3-5]。某公司在電池包頂蓋設計當中采用碳纖維，并通過合理的設計及仿真驗證，使得電池箱頂蓋滿足了使用性能，且降低了電池包整體質量。由于碳纖維材質頂蓋成本較高，文章研究的頂蓋采用輕薄鈑金，并從理論設計和生產制造上闡述相關問題，為后續(xù)制造工藝提供一定的參考。

1 頂蓋的結構設計與沖壓工藝優(yōu)化

1.1 頂蓋結構與回彈公差設計

動力電池包結構件主要由模架、托盤、頂蓋組成，如圖1所示。托盤主要作用是承載并固定整個電池包模組；模架固定模組在電池托盤上；頂蓋密封整個電池包。

圖1 電池包結構與頂蓋

頂蓋張面面積較大，在軸向面運動過程中會存在蓋面變形，頂蓋中心面存在較大波動變形，因此頂蓋蓋面（如圖1所示）設計紋面加強筋，增強蓋面強度。所設計的頂蓋是否滿足電池包在X、Y、Z軸方向的運動沖擊強度，均需要根據(jù)ISO 12405、GB/T 2423.56以及生產設計企業(yè)的技術標準進行仿真參數(shù)確定[6-9]，并進行Workbench仿真分析。仿真結果若存在異常，需要進一步修正模型。仿真結果如圖2所示，頂蓋的結構應力分布均勻，滿足X、Y、Z軸運動方向上的沖擊，且應力值遠遠小于設計所限材料的強度值，頂蓋結構設計合理。

圖2 頂蓋仿真結果界面

除了頂蓋強度設計外，更應該重視的是頂蓋孔位的尺寸位置問題，必須在設計時保證合理公差。頂蓋在加工的過程中孔位的尺寸會較容易出現(xiàn)偏離公差帶的情況，因此合理設計公差就顯得非常必要。頂蓋在實際沖壓工序結束后會出現(xiàn)鈑金回彈的現(xiàn)象，因此孔位余量的具體數(shù)值需要根據(jù)工程生產經驗選定，所設計的頂蓋保持了0.6～0.9 mm的孔位余量，設計如圖3所示。

圖3 孔位公差設計

1.2 頂蓋沖壓仿真與工藝優(yōu)化分析

設計完成后，需要對其生產制造工藝及工序等進行評估[10-11]。采用AUTOFORM軟件對頂蓋沖壓過程進行仿真分析，仿真參數(shù)如表1所示。在仿真成型過程中，判斷其是否因機械結構設計缺陷導致沖壓仿真異常，以便進一步進行頂蓋結構改進。仿真沖壓成型工藝過程如圖4所示。

表1 沖壓工藝仿真模型所用的材料參數(shù)

圖4 沖壓成型工藝過程

在沖壓仿真過程中，重點觀察是否存在拉伸撕裂、起皺等設計上的問題。如有則及時修正模型設計。未發(fā)現(xiàn)頂蓋蓋面、折彎處出現(xiàn)開裂、起皺，則頂蓋成型效果良好。同時也可觀察到頂蓋鈑金的金屬質量流動分布情況，能夠預知鈑金沖壓后質量分布的初步情況，如圖5所示。所設計的頂蓋基本達到理想的沖壓設計，并考慮沖壓相關的制造工藝，進行下一步試模試產工作。

圖5 沖壓后頂蓋質量分布界面

2 頂蓋的加工制造與分析

頂蓋在設計仿真結束后，要進行沖壓試模，以檢驗沖壓后是否會出現(xiàn)在仿真中不可預知的情況。檢查沖壓模具，模具凹模、凸模是否有污漬、雜物，主體是否有破損、裂紋等情況。模具合模時是否正常、有無松動、模隙是否合理，如圖6所示。

圖6 合模狀態(tài)

在沖壓模具檢查無誤的情況下，綜合制造經驗及仿真情況進行試模，在試模過程中會清晰看到產品的初形是否會因為設計的沖壓噸力過大、材料流動性不好等原因導致頂蓋鈑金出現(xiàn)起皺、紋理狀等異常沖壓現(xiàn)象。經過沖壓試模，發(fā)現(xiàn)頂蓋有起皺的現(xiàn)象，如圖7所示。經過綜合評估，調整壓邊力，再次試模沖壓，頂蓋起皺現(xiàn)象減輕，但是蓋面出現(xiàn)開裂，如圖8所示。反復調整噸壓力、壓邊力，或者增加壓力圈，并不斷改進，雖然未出現(xiàn)大量的問題產品，但是偶爾還是會出現(xiàn)頂蓋輕微起皺，甚至輕微裂紋現(xiàn)象。判斷可能是由于材料流動性不好，更換5152-O體系材料，最后解決該問題。在設計仿真計算時，選擇的材料體系是滿足仿真計算要求的，未發(fā)現(xiàn)開裂、起皺的現(xiàn)象，但在實際生產當中卻發(fā)現(xiàn)問題，有可能是頂蓋鈑金來料有異常，其機械性能與理想中的材質還是存在一定差距。

圖7 起皺現(xiàn)象

圖8 開裂現(xiàn)象

3 結論

根據(jù)輕量化設計的原則，頂蓋采用輕薄鋼板5754-O材料體系，經過了初步的力學仿真計算，在仿真過程中修正設計，并結合企業(yè)工程制造與設計經驗，不斷優(yōu)化設計結構。頂蓋結構設計完成時需要綜合考慮工程制造，采用專業(yè)軟件進行沖壓成型仿真分析，結果顯示沖壓質量分布均勻，未出現(xiàn)異常。但在實際生產制造過程中卻出現(xiàn)了未在仿真中體現(xiàn)的異常，通過不斷地改進沖壓工藝，直至更換體系材料，才徹底解決產品異常的問題。對頂蓋設計與制造過程進行反思，得到如下3點思考：

1）通過動力電池包頂蓋的結構及其孔位公差設計，提高產品設計的可靠性；

2）借鑒沖壓仿真軟件的計算分析，優(yōu)化制造工藝，獲得沖壓后具有良好質量分布的頂蓋仿真結果，有效提高了設計與制造效率，加快了研發(fā)進度；

3）利用頂蓋加工制造與工程經驗分析，可以有效解決仿真過程無法預測的頂蓋起皺和開裂問題，提升頂蓋的輕量化應用。

總之，設計與實際工程生產會存在一定的差異，產品制造異常可能是外界因素導致，比如生產設備、材料本身等原因，因此在制造與生產過程中，工程師應該反復推敲，積累設計與制造經驗。