焊接技術(shù)在電池包輕量化制造中的應(yīng)用研究

摘 要：焊接技術(shù)在電池包輕量化制造中的應(yīng)用至關(guān)重要。通過(guò)選擇合適的輕型材料和先進(jìn)的焊接技術(shù)，可以有效減少電池包的重量，提高能量密度和功率密度，從而實(shí)現(xiàn)電池包的輕量化制造的目標(biāo)。對(duì)于輕量化材料鋁合金、復(fù)合材料等，先進(jìn)的焊接技術(shù)有CMT、FSW和激光焊接等。在電池包實(shí)際制造中，對(duì)于解決鑄鋁與擠壓鋁合金這兩種同種但不同屬性金屬和鋁與銅這兩種異種金屬如何更輕量化焊接，我們用電阻點(diǎn)焊來(lái)處理鑄鋁與擠壓鋁合金間的焊接、激光焊來(lái)處理鋁與銅間的焊接來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝采用介質(zhì)來(lái)添接拼焊，可以很好地減輕電池包的重量。焊接技術(shù)在電池包輕量化制造中具有關(guān)鍵意義，其應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：焊接 電池包 輕量化制造

隨著電動(dòng)汽車規(guī)模不斷擴(kuò)大，其續(xù)航能力卻成了將要面臨的問(wèn)題，許多車企通過(guò)降低車身重量來(lái)提升車輛的續(xù)航，那么作為電動(dòng)汽車三大件之一且占據(jù)車身重量18%～30%的電池部分是一個(gè)很好的突破口。我們可以通過(guò)選擇合適的材料（鋁合金、高強(qiáng)度鋼、碳纖維），然后利用先進(jìn)的焊接技術(shù)（點(diǎn)焊、激光焊、超聲波焊）復(fù)合使用進(jìn)行連接，最終實(shí)現(xiàn)電池包的輕量化制造。

1 焊接技術(shù)概述

焊接技術(shù)是一種將兩個(gè)或多個(gè)工件通過(guò)熱或壓力加工，使其在接觸面上形成永久性連接的工藝。在焊接過(guò)程中，通常會(huì)使用熱源（如火焰、電弧、激光等）或者壓力，將工件加熱至足夠溫度并施加力量，使其在接觸面上熔化或塑性變形，然后冷卻固化，從而形成連接。焊接技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括制造業(yè)、建筑業(yè)、航空航天等，其在電池包制作中也扮演著重要的角色。常見(jiàn)的焊接方法包括點(diǎn)焊、激光焊、電弧焊、超聲波焊等，每種方法都有其適用的場(chǎng)景和特點(diǎn)，可以根據(jù)具體需求選擇最合適的焊接方法。圖1為常見(jiàn)的焊接方法。

2 動(dòng)力電池

電池、電機(jī)、電控為電動(dòng)汽車的三大核心電系統(tǒng)[1]。電池部分主要由電池管理系統(tǒng)（BMS）、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、模組、結(jié)構(gòu)件組成，從圖2中可以看出電池部分在整車整備質(zhì)量中占比為18%～30%。由此可見(jiàn)，減輕電池包（Pack）質(zhì)量對(duì)于車輛整體輕量化具有重大意義。

如今，許多車企對(duì)電池包的輕量化研究加大投入力度，在鋁合金、碳纖維、玻璃纖維、SMC等輕型材料和焊接技術(shù)方面有著較為深入的研究和應(yīng)用。例如，Nissan Leaf系列的動(dòng)力電池，在同等電量的前提下，每一代Leaf系列的電池都實(shí)現(xiàn)了明顯減重[2]。

3 輕型材料在電池包制造中的應(yīng)用

3.1 電池包箱體金屬材料

在電池包箱體所用的金屬材料中，主要有鋼板和鋁合金這兩類金屬，雖然鋼板具有良好的抗沖擊、熱管理能力，但由于鋼板重量較大，并不適合電池包的輕量化制造[3]。當(dāng)然，由于鋁合金的性能優(yōu)越，逐漸成為制造輕型電池包箱體的材料。鋁制電池包箱體的承載結(jié)構(gòu)主要有底板式和框架式[4]。大眾公司研究發(fā)現(xiàn)，框架承載式結(jié)構(gòu)的箱體能滿足不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，更易實(shí)現(xiàn)輕量化[5]。表1為輕型材料在部分乘用車電池包箱體的應(yīng)用。

3.2 電池包箱體復(fù)合材料

目前碳纖維、玻璃纖維等復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于電池包箱體的制作，如圖3所示，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。如Baumeister等[6]利用泡沫鋁復(fù)合三明治材料成功制成了能裝載20 kWh的電池包下殼體，使殼體質(zhì)量減輕了10%～20%。Choi等[7]以尼龍6（PA6）為基體，通過(guò)改變碳纖維和玻璃纖維的含量（纖維總摻加量不超過(guò)40%）降低了箱體質(zhì)量，毛占穩(wěn)等[8]與一汽轎車共同開(kāi)發(fā)碳纖維電池包箱體，成功將箱體質(zhì)量由110 kg減輕到19 kg。邵明頂?shù)萚9]利用連續(xù)玻璃纖維編織布作為基材，環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂作為基體的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通過(guò)預(yù)浸料模壓成型工藝制作電池箱體，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

4 制造電池包的常見(jiàn)焊接技術(shù)

4.1 冷金屬過(guò)渡焊技術(shù)（Cold Metal Transfer Welding）

Cold Metal Transfer Welding （CMT）是一種全新的MIG/MAG焊接技術(shù)，適于焊接鋁合金和其他輕金屬的新型焊接技術(shù)。CMT焊接技術(shù)具有適于低溫焊接、適于薄板焊接、適于輕金屬、低飛濺等優(yōu)點(diǎn)。

目前，比亞迪的車型中很多都采用了CMT焊縫，如圖4所示。

4.2 攪拌摩擦焊（FSW）

攪拌摩擦焊通過(guò)在材料接觸面之間施加旋轉(zhuǎn)和擠壓來(lái)產(chǎn)生摩擦熱，從而軟化材料并形成焊接。在電池包焊接中，焊接質(zhì)量高，變形小、焊接接頭強(qiáng)度高、密封性能優(yōu)良。如圖5為攪拌摩擦焊工作的原理圖。

FSW焊接技術(shù)主要應(yīng)用在電池包殼體的連接上，例如巫飛彪等人[11]通過(guò)機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)找到優(yōu)化后的主軸轉(zhuǎn)速S、焊接速度F、下壓力P及工件的連接方式，提高焊縫融合度的同時(shí)，使得焊接接頭性能穩(wěn)定且抗拉強(qiáng)度均能達(dá)到母材抗拉標(biāo)準(zhǔn)的75%以上。

4.3 激光焊接

激光焊接是一種高精度的焊接技術(shù)，利用激光束將金屬部件或材料加熱至熔化點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)焊接。它能夠提供高強(qiáng)度、高質(zhì)量的焊接連接，同時(shí)減少變形和熱影響區(qū)域，使得汽車結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固和耐久。此外，激光焊接還可以實(shí)現(xiàn)高效率地生產(chǎn)，因?yàn)樗梢钥焖俚赝瓿珊附尤蝿?wù)，并且適用于復(fù)雜形狀和難以訪問(wèn)的部件。李紅等人[12]對(duì)國(guó)內(nèi)外電池包箱體連接技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究，并提出緊固件是目前電池包箱體連接的主要形式。葉逸云[13]針對(duì)鋁合金的激光對(duì)接焊工藝展開(kāi)研究，通過(guò)不斷試驗(yàn)使焊接接頭的平均強(qiáng)度達(dá)到了 20.63MPa。大眾汽車公司采用激光焊接技術(shù)完成了尾燈面板與側(cè)圍外板的對(duì)接，焊接效率高，裝配精準(zhǔn)，質(zhì)量穩(wěn)定。

5 電池包制造中的關(guān)鍵焊接方法

5.1 鑄鋁與擠壓鋁合金間的電阻點(diǎn)焊

點(diǎn)焊是傳統(tǒng)的焊接方法之一，也是汽車工業(yè)最常用的焊接技術(shù)，其通過(guò)在接頭處施加高電流瞬間加熱，使得接頭處的材料融化并形成焊縫。

目前雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了越來(lái)越多的焊接方法，但電阻點(diǎn)焊仍是汽車生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的連接技術(shù)[14]。車輛質(zhì)量、性能等與點(diǎn)焊的質(zhì)量[15]密切相關(guān)。對(duì)于電池包下殼體與模組間的隔板連接則涉及鑄鋁與擠壓鋁合金的異種鋁合金焊接，這可以采用電阻點(diǎn)焊的方法。下圖6為鑄鋁與擠壓鋁合金的電阻電焊工作原理圖。

5.2 鋁與銅異種金屬間的激光焊接

電池包中有大量的鋁、鎳和鍍鎳銅[16]材料，因此，新能源汽車動(dòng)力電池包中涉及大量的鋁/銅異種金屬的連接，由于鋁和銅熔點(diǎn)相差較大，實(shí)現(xiàn)鋁和銅的高質(zhì)量焊接難度[17]很大；并且鋁/銅焊接時(shí)焊縫容易形成的脆性金屬間化合物[18]，降低了接頭的強(qiáng)度和塑性，焊縫內(nèi)易出現(xiàn)氣孔及裂紋等缺陷[19]。

目前，鋁/銅異種金屬常見(jiàn)連接方法如表2所示。

可見(jiàn)，鋁/銅異種金屬焊接工藝方法還是很多的，但是考慮到電池包在生產(chǎn)制造過(guò)程中的質(zhì)量、效率等因素影響，激光焊接為各大廠商所青睞。

當(dāng)前，電池包電芯連接所使用的材料厚度特別薄，在焊接的過(guò)程中容易出現(xiàn)焊接變形過(guò)大、燒穿、焊接強(qiáng)度差等問(wèn)題[9]。采用脈寬為納秒級(jí)的激光器，實(shí)現(xiàn)熱輸入控制精準(zhǔn)，利于控制熔深和抑制鋁銅金屬間化合物的生成[10]。

6 結(jié)語(yǔ)

焊接技術(shù)在電池包輕量化制造中的應(yīng)用是至關(guān)重要的。通過(guò)良好的焊接方法以及精密的焊接工藝，可以有效減少電池包的重量，提高能量密度和功率密度，從而實(shí)現(xiàn)電池包的輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在電池包制造過(guò)程中選擇合適的輕型材料，如鋁合金、泡沫鋁、碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、SMC材料等，通過(guò)先進(jìn)的焊接技術(shù)，如冷金屬過(guò)渡焊（CMT）、攪拌摩擦焊（FSW）、激光焊接技術(shù)等實(shí)現(xiàn)電池包的輕量化制造。

當(dāng)然，在電池包的實(shí)際焊接中存在兩種比較棘手的問(wèn)題，就是在面對(duì)電池包制造中鑄鋁與擠壓鋁合金這兩種同種但不同屬性金屬和鋁與銅這兩種異種金屬間該如何焊接使電池包能夠輕量化。我們采用電阻點(diǎn)焊和激光焊來(lái)取代傳統(tǒng)的通過(guò)介質(zhì)來(lái)添接拼焊的方法。

隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大和電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于新材料和新工藝的需求也在不斷增加。因此，對(duì)新材料和新工藝的不斷探索和創(chuàng)新是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵?？傊?，焊接技術(shù)在電池包輕量化制作中具有關(guān)鍵意義，其應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬鵬程，李海豐，王戎.某型商用車動(dòng)力電池托架的輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2022，47（02）：53-56.

[2]張驍.動(dòng)力電池箱體輕量化技術(shù)綜述[J].河南科技，2022，41（22）：39-43.

[3]劉舒龍，夏順禮，趙久志，等.一種電動(dòng)汽車電池組箱體輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（11）：10-12.

[4]胡大武，張桂源，曹鵬程，等.新能源汽車電池包關(guān)鍵連接技術(shù)[J].金屬加工（熱加工），2020（08）：10-13.

[5]季業(yè)成.某電動(dòng)汽車電池包箱體輕量化及焊接優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].合肥：安徽工業(yè)大學(xué)，2019.

[6] BAUMEISTER J， WEISE J， HIRTZ E， et al. Applications of Aluminum Hybrid Foam Sandwiches in Battery Housings for Electric Vehiclesp[J].Materialwissenschaft Werkstofftechnik，2015.

[7] CHOI C H，CHO J M，KIL Y，et al.Development of Polymer Composite Battery Pack Case for an Electric Vehicle[J].SAE Technical Papers，2013.

[8]毛占穩(wěn)，李煒，劉宇強(qiáng).復(fù)合材料在電動(dòng)車輛電池包中的應(yīng)用及分析[J].電源技術(shù)，2016，40（05）：977-978.

[9]邵明頂，楊明.輕量化動(dòng)力電池箱[J].時(shí)代汽車，2020（20）：93-94.

[10]龐杰.鋁合金CMT+P焊接熔滴過(guò)渡行為研究[D].天津：天津大學(xué)，2017.

[11]巫飛彪，周博俊.攪拌摩擦焊在新能源汽車電池下殼體焊接工藝中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2021，50（11）：231-235.

[12]李紅，劉旭升，張宜生，等.新能源電動(dòng)汽車異種材料連接技術(shù)的挑戰(zhàn)、趨勢(shì)和進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2019，33（23）：3853-3861+3881.

[13]葉逸云.CFRTP-鋁合金的激光對(duì)接焊工藝研究[D].寧波：寧波大學(xué)，2021.

[14] LEE T. Resistance spot weldability of heat-treatable and non-heat-treatable，dissimilar aluminium alloys[J].Science of Technology of Welding amp; Joiniry，2020.

[15]佘亞?wèn)|，索英超，汪殿龍，等.異種鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭組織及硬度[J].熱加工工藝，2019，48（17）：165-167.

[16] Shigeki NAKANISHI，Takashi SUZUKI，Qi CUI ，et al.Effect of surface treatment for al- uminum foils on discharge properties of lithium-ion battery[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2014.

[17]董鵬，陳凱華，肖榮詩(shī).鋁-銅異種金屬激光深熔釬焊接頭力學(xué)性能[J].中國(guó)激光，2011，38（06）：129-133.

[18] Dimatteo Vincenzo，Ascari Alessandro，Liverani Erica，et al.Experimental investi ga- tion on the effect of spot diameter on continuous-wave laser welding of copper and aluminum thin sheets for battery manufacturing[J].Optics and Laser Technology，2022.

[19] Paul Kah，Cyril Vimalraj，Jukka Martikainen，et al.Factors influencing Al-Cu weld properties by intermetallic compound formation[J].International Journal of Mechanical and Materials Engineering，2015.

[20] Zubiri F，Petite M D M，Ochoa J，et al.Welding optimization of dissimilar Copper-Al- uminum thin sheets with high brightness lasers[J].Cracking Phenomena in Welds IV，2016.

[21]唐杉杉，杜預(yù)，王佳樂(lè)，等.新能源動(dòng)力電池中鋁銅激光焊接研究進(jìn)展[J].有色金屬加工，2024，53（01）：16-22.