【編者按】《電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》將于8月份出版，該書是繼《電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計(jì)》之后系列叢書的第二本專著，由王芳、夏軍等多位專家耗時(shí)一年聯(lián)袂打造，內(nèi)容涵蓋動(dòng)力電池系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展綜述、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BMS設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)仿真分析、測試驗(yàn)證，以及生產(chǎn)制造技術(shù)，全方位多角度為讀者提供最佳的工程實(shí)踐參考。本文節(jié)選自《電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》第二六章“電池包強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。

第六章：電池包強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.制造工藝仿真

電池箱體現(xiàn)有制造工藝包括鈑金拼焊、沖壓加拼焊、壓鑄、攪拌摩擦焊接。目前商用車用電池箱體采用鈑金拼焊工藝比較多，其次是壓鑄箱體、攪拌摩擦焊接箱體、SMC等復(fù)合材料箱體；乘用車多采用沖壓成型加拼焊的工藝，不過隨著對電池系統(tǒng)比能量要求的提高，采用鋁合金攪拌摩擦焊接的也將越來越多。箱體制造工藝的選擇受制于尺寸大小、終端應(yīng)用、輕量化、成本等的影響，一個(gè)項(xiàng)目選擇何種制造工藝需要綜合評估后選定。

不管是使用何種工藝，都可以通過仿真評估來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問題，從而指導(dǎo)箱體和工裝夾具的設(shè)計(jì)。

2.沖壓成型仿真

沖壓成型主要利用了金屬塑性變形的原理，通過沖壓加工使金屬產(chǎn)生塑性變形來制造產(chǎn)品。

如下圖6-48所示，為一款采用沖壓成形工藝的電池箱上蓋，尺寸為1735mmX900mmX70mm。為了對其進(jìn)行工藝可行性評估，建立了沖壓成型仿真模型如下圖6-49所示，通過計(jì)算機(jī)模擬沖壓成形過程。

圖6-48 某電池箱上蓋

圖6-49 沖壓成型仿真模型

仿真模型包含凸模、壓邊圈、胚料、凹模，采取單動(dòng)形式，即凸模不動(dòng)，壓邊圈將胚料壓在凹模上整體向凸模移動(dòng)。胚料尺寸為1960mmX1200mm，壓邊力設(shè)置為100噸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.15。上蓋材料選擇DC06，屬于塑性非常好的深拉材料。仿真過程如下圖6-50所示。圖6-51為成型后的起皺云圖。

圖6-50 沖壓成型過程

圖6-51起皺變形量云圖

從仿真結(jié)果來看，該設(shè)計(jì)在成型過程中存在一定的撕裂風(fēng)險(xiǎn)，如下圖6-53所示紅色區(qū)域，成型極限圖中也顯示有超過材料的極限應(yīng)變。針對該風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，需要增大此處的圓角，

圖6-53 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域

6.4.2 超聲波焊接仿真

超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需要焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。

由于方形電芯極柱大多是鋁合金材料，電芯之間的電連接大部分采用激光焊接工藝，由于鋁巴匯流能力沒有銅巴強(qiáng)，模組輸出極需要銅鋁轉(zhuǎn)接，銅鋁轉(zhuǎn)接采用超聲波焊接工藝，此工藝在方形電芯成組工藝中應(yīng)用最多，部分低壓采樣線束也是采用此工藝，如下圖6-54所示為方形模組銅鋁轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。

在生產(chǎn)過程中經(jīng)常有反饋超聲波焊接后工件出現(xiàn)裂紋，為了分析問題出現(xiàn)的原因，先了解超聲波焊接是如何操作，如圖6-55所示，超聲波焊頭以一定的壓力壓在工件表面，然后以20kHz的頻率做正弦振動(dòng)，振幅0.04mm，持續(xù)時(shí)間0.3~0.6s。

圖6-54 銅鋁轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)

圖6-55 超聲波對接焊示意圖

從以上可知，每完成一次超聲波焊接，工件已經(jīng)承受了近萬次的振動(dòng)，因此銅鋁巴焊后裂紋屬于振動(dòng)疲勞問題，既然是振動(dòng)問題就應(yīng)該結(jié)合工件的固有頻率來分析，此問題適合采用模態(tài)疊加法[19]來進(jìn)行求解，求解銅鋁巴超聲波焊接疲勞的基本思路如下圖6-56所示：

圖6-56 超聲波焊接疲勞分析基本思路

如下圖6-57和6-58所示為2并和3并的銅鋁巴超聲波焊接疲勞分析結(jié)果，2并設(shè)計(jì)因鋁巴比較短，從仿真分析結(jié)果來看不存在裂紋的風(fēng)險(xiǎn)；3并設(shè)計(jì)因鋁巴較長，從分析結(jié)果來看有斷裂風(fēng)險(xiǎn)，云圖中紫色即為危險(xiǎn)區(qū)域，因此對于這種懸臂較長的焊接結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)工裝夾具提供額外的支撐和固定，并可以通過多次的仿真分析對比來獲得最優(yōu)的支撐位置，從而指導(dǎo)超聲波焊接夾具的設(shè)計(jì)。

針對3并的銅鋁超聲波焊接，在工件的最外端加一個(gè)支撐限位的工裝，并增加焊接底座的支持面積，可以降低超聲波焊接帶來的疲勞應(yīng)力，避免裂紋的出現(xiàn)，優(yōu)化后的仿真分析結(jié)果如圖6-59所示。

圖6-57 2并銅鋁巴超聲焊接疲勞結(jié)果     

圖6-58 3并銅鋁巴超聲焊接疲勞結(jié)果

圖6-59 優(yōu)化焊接工裝后的仿真結(jié)果

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