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[新能源汽车用材] 新能源汽车电池包关键连接技术

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发表于 2020-10-13 19:51:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

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新能源汽车电池包关键连接技术
胡大武,张桂源,曹鹏程,顾伟,徐红勇,张阳阳,洪晓祥,吉华
航天工程装备(苏州)有限公司 江苏苏州 215100
摘要:主要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,其中钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、搅拌摩擦焊、激光焊、螺栓自拧紧技术(FDS)和胶接在铝制电池包箱体的制造中应用最为广泛。每种连接技术都有其各向异性,在铝制电池包箱体的不同结构上,相应地采用不同的连接技术,其中钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、搅拌摩擦焊在现有电池托盘上应用最为广泛,激光焊、FDS和胶接在未来的电池托盘上最具有潜力。
关键词:电池包箱体;连接技术;新能源汽车
1 序言

近年来,受益于国家优惠政策,新能源汽车行业得到了蓬勃发展,其销量也在逐年递增。为了适应并扩大市场需求,解决“里程焦虑”的问题,新能源汽车正不断地追求着轻量化。电池包作为新能源汽车开发中十分重要的部件,其趋同的技术与生产水平备受人们的关注[1]。目前,行业内普遍使用的电池包箱体有:铝型材电池包箱体、铸铝电池包箱体和钣金电池包箱体等。钣金电池包箱体安全性、可靠性高,多数使用在公共交通工具上,如公交车。对于小型轿车而言,多数使用的是铝制电池包箱体。

铝制电池包箱体承载结构主要分为两种:底板承载式结构和框架承载式结构。大众公司在研究中发现框架承载式结构更容易实现轻量化以及满足不同结构下的强度要求,并将此结构应用于奥迪A6EV车型上[2]。依据承载结构的不同,其对应的生产工艺流程、方法也存在一定的差别。本文针对电池包箱体制造的关键连接技术:钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、搅拌摩擦焊、激光焊以及新兴的螺栓自拧紧技术(FDS)和胶接技术等分别进行介绍。

2 传统熔化焊2.1 交流钨极氩弧焊

钨极氩弧焊(TIG焊)属于非熔化极惰性气体保护焊的一种,是在惰性气体的保护下,利用钨极与焊件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝(也可以不加焊丝),从而形成优质焊缝的焊接方法[3]。交流TIG焊在焊接时具有电弧与熔池的可见性好、操作简单、焊缝外观无焊灰及不需清洁等优点,并且具有清理氧化膜的作用,因此非常适合铝制电池包箱体的焊接。此外,对于空间狭小的短焊缝焊接以及密封性要求高的焊缝也尤为合适。例如,比亚迪和吉利旗下多款混动车型的电池包箱体,在生产制造过程中均大量采用交流TIG焊,实现壳体的连接,保证工件气密性,其TIG焊缝约占箱体总焊缝量的80%。某车型电池包下箱体焊缝如图1所示,箱体结构紧凑,型材刚度大,可以选择交流TIG焊。然而,随着箱体结构的演变,箱体尺寸在变大、型材结构在变薄、焊接结构在优化以及焊后尺寸精度要求在提高,因此交流TIG焊的优势并不凸显。相反,其缺点:焊接速度慢、焊接热输入大、焊后变形大、不易控制等,限制了箱体的高效生产。因此,热输入小、变形小、工作效率高的熔化极气体保护焊开始渐渐取代TIG焊。

图1 某车型电池包下箱体焊缝

2.2 CMT焊

CMT(Cold Metal Transfer)是一种全新的MIG/MAG焊接工艺,它是利用一个较大的脉冲电流使得焊丝顺利起弧,并在焊丝端部熔化长大,在熔滴即将发生脱落的时刻,电流急剧衰减至几乎为零,利用熔滴与熔池的表面张力、熔滴自身重力和焊丝的机械回抽作用,实现熔滴的完美过渡,从而形成连续的焊缝[4]。相比传统MIG焊,CMT技术具有热输入小、无飞溅、电弧稳定以及焊接速度快等优点,可用于多种材料的焊接,在铝制电池托盘的生产制造中占据着举足轻重的地位。例如,比亚迪、北汽旗下多款车型所使用的电池包下箱体结构,多采用CMT焊接技术,其焊缝约占箱体焊缝的70%。箱体简易结构如图2所示,边框与底板(采用间断焊或整圈满焊)以及横梁与底板之间的焊接均采用CMT焊接工艺,只有底板背部为搅拌摩擦焊。多数电池包箱体供应商在生产制造过程中,为了保证焊接质量(见图3),引用机器手自动化焊接取代人工焊接,提高了生产效率,保证了焊缝的一致性及工件精度。

图2 电池包下箱体熔化焊简易结构

图3 铝制电池包箱体CMT焊缝

虽然随着自动化程度的提高,MIG焊在电池包箱体焊接中占据的比重越来越高,但是其仍难摆脱铝合金传统熔化焊的焊接问题,如热输入大引起的变形、气孔、焊接接头系数低等。因此,高效绿色、焊接质量更高的搅拌摩擦焊技术走进了人们的视野。

3 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊(FSW)是英国剑桥焊接研究所发明的一种固相连接技术。与传统熔化焊焊接原理不同,FSW是以旋转的搅拌针以及轴肩与母材摩擦产生的热为热源,通过搅拌针的旋转搅拌和轴肩的轴向力实现对母材的塑化流动,最终得到区别于熔化焊铸造组织的精细锻造组织的焊接接头[5]。FSW具有焊接变形小、无裂纹及气孔等缺陷,且焊接接头强度高、密封性好等优点,被广泛应用于电池包箱体焊接领域。例如,吉利、小鹏旗下多款车型的电池包箱体均采用双面搅拌摩擦焊结构。其简易结构如图4所示,此结构主体部分使用FSW,只有边梁以及小件等少量焊缝采用熔化焊,提高了生产效率以及箱体的整体安全性能。常规的单轴肩FSW后会产生飞边,增加了焊缝打磨的工作量(见图5)。为了减少甚至解决飞边问题,催生了恒压力FSW、静止轴肩FSW等技术。

图4 电池包箱体FSW简易结构

图5 铝制电池包箱体FSW焊缝

常规电池包箱体生产工艺流程为边框与底板的独立焊接,之后进行组装焊接。单独的底板模块进行单轴肩FSW,其焊接作业效率低,底板变形调控较难。目前,国内外均开始研究该结构的双机头焊接(见图6),通过双面同时焊接,降低底板变形量,同时缩短单工序作业时间。图7所示为双机头FSW焊接打样产品,其整体平面度控制在2mm以内。

图6 双机头FSW模拟

图7 双机头FSW焊接产品

4 激光焊

激光焊是属于高能束焊的一种,是利用能量密度极高的激光束照射在待焊材料表面,使材料熔化并形成可靠的连接接头[6]。随着激光技术的成熟,激光焊接在车身制造中被广泛应用(见图8),主要用于汽车车门、前后盖、顶盖、流水槽和侧围外板等零部件的焊接[7,8]。在新能源汽车电池包领域,激光焊也有应用实例,如2018年上海凌云科技股份有限公司为大众汽车制造的一款电池包,已经顺利交付生产。但是,由于激光焊设备前期投资成本高、回报周期长,以及铝合金激光焊接困难等原因,激光焊并没有得到广泛应用。

图8 激光焊接铝合金焊缝

5 其他焊接工艺

随着新能源汽车电池包箱体结构的演变,其相应的生产制造技术也在不断地更新。为了缓解焊接变形对箱体尺寸精度的影响,出现了螺栓自拧紧技术(FDS)和胶接技术等,其中比较出名的企业有德国WEBER公司和美国3M公司。

5.1 螺栓自拧紧技术(FDS)

FDS连接技术是一种通过设备中心拧紧轴将电动机的高速旋转传导至待连接板料摩擦生热产生塑性形变后,自攻螺丝并螺栓连接的冷成形工艺[9],如图9所示。通常配合机器人使用,自动化程度高。在新能源电池包制造领域,该工艺主要应用于框架式结构箱体,配合胶接工艺,在保证足够连接强度的同时实现箱体的密封性能。例如,蔚来某款车型的电池包箱体就采用了FDS技术,并已经量化生产。虽然FDS技术优势明显,但是也有其缺点:设备成本高、焊后凸起以及螺钉造价昂贵等,另外使用工况也限制了自身的应用。

图9 FDS技术连接效果

5.2 胶接技术

胶接技术是一种利用胶粘剂在连接面上产生机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使材料连接起来的工艺方法[10]。胶接技术不需要高温高压环境,因此它具有不易变形、结合应力分布均匀的优点。据3M公司介绍,胶接技术在新能源汽车电池包上已经开始应用,如底板的拼接使用胶接技术,其结构胶的最大抗剪力可以达到40MPa。综合分析,胶接技术可以应用在结构强度要求不高或以密封性要求为主的电池包组件上,如支架固定块之类的小件。

6 展望

1)结合宁德时代的CTP技术、比亚迪的“刀片电池”技术以及江淮的“蜂窝电池”技术特点:CTP技术主张无模组化,其箱体结构更依赖于熔化焊;“刀片电池”技术和“蜂窝电池”技术要求箱体为底板承载式结构,为了更好地控制箱体尺寸,FSW是箱体制造最好的选择。

2)特斯拉中国工厂引进了4台千万吨级的压铸机,致力于电池包箱体压铸技术研究,尽可能地去除焊接对箱体安全性能的影响。一旦底板整体压铸研究成功,箱体关键连接技术转而成为了铸铝焊接的问题,因此激光焊更有发展潜力。

3)综合分析以上电池包箱体连接技术,笔者认为熔化焊是箱体制造中必不可少的连接技术,而胶接技术更多是配合其他连接技术使用,实现不可焊位置获得良好的密封性。

参考文献:

[1] 刘美娜.新能源汽车电池包下壳体焊接工艺分析[J].汽车工艺与材料,2018(12):37-39,42.

[2] 季业成.某电动汽车电池包箱体轻量化及焊接优化设计研究[D].马鞍山:安徽工业大学,2019.

[3] 李兵.6063铝合金薄板搅拌摩擦焊接工艺及机理的研究[D].沈阳:东北大学,2009.

[4] 庞杰.铝合金CMT+P焊接熔滴过渡行为研究[D].天津:天津大学,2017.

[5] 谢广明.搅拌摩擦焊接镁及铜合金的微观组织和力学性能[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[6] 顾伟.SMA490BW耐候钢激光填丝焊熔滴过渡行为及接头组织性能研究[D].镇江:江苏科技大学,2018.

[7] 汪健坤,李强,黄磊,等.激光焊接技术最新研究进展及应用现状[J].金属加工(热加工),2020(3):4-10.

[8] 郎旭元,张元钟.激光技术在汽车工业中的应用[J].机械工程师,2006(6):20-23.

[9] 徐治勤,郭志强,赖鸿群.FDS工艺在电池包壳体连接中的应用研究[J].汽车工艺与材料,2020(1):10-15.

[10] 广东省化学研究所胶黏剂组.胶粘剂胶接原理简介[J].农业机械资料,1977(4):31-34.


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