電池包頂蓋的設(shè)計(jì)與制造

動力電池是電動汽車產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)之一，影響著電動汽車的性能與安全。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(fēng)險(xiǎn)。除了在電池能量密度上的性能提升以外，電池包的集成結(jié)構(gòu)件的減重也得到了行業(yè)界一致的認(rèn)可。國內(nèi)外研究人員對電池包輕量化進(jìn)行了大量的探索與驗(yàn)證[。某公司在電池包頂蓋設(shè)計(jì)當(dāng)中采用碳纖維，并通過合理的設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)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(zhì)量。由于碳纖維材質(zhì)頂蓋成本較高，文章研究的頂蓋采用輕薄鈑金，并從理論設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造上闡述相關(guān)問題，為后續(xù)制造工藝提供一定的參考。

1 頂蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與沖壓工藝優(yōu)化

1.1頂蓋結(jié)構(gòu)與回彈公差設(shè)計(jì)

動力電池包結(jié)構(gòu)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(gè)電池包模組；模架固定模組在電池托盤上；頂蓋密封整個(gè)電池包。

頂蓋張面面積較大，在軸向面運(yùn)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(shè)計(jì)紋面加強(qiáng)筋，增強(qiáng)蓋面強(qiáng)度。所設(shè)計(jì)的頂蓋是否滿足電池包在X、Y、Z軸方向的運(yùn)動沖擊強(qiáng)度，均需要根據(jù)ISO12405、GB/T2423.56以及生產(chǎn)設(shè)計(jì)企業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真參數(shù)確定，并進(jìn)行Workbench仿真分析。仿真結(jié)果若存在異常，需要進(jìn)一步修正模型。仿真結(jié)果如圖2所示，頂蓋的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻，滿足X、Y、Z軸運(yùn)動方向上的沖擊，且應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)所限材料的強(qiáng)度值，頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

除了頂蓋強(qiáng)度設(shè)計(jì)外，更應(yīng)該重視的是頂蓋孔位的尺寸位置問題，必須在設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)公差就顯得非常必要。頂蓋在實(shí)際沖壓工序結(jié)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(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選定，所設(shè)計(jì)的頂蓋保持了0.6～0.9mm的孔位余量，設(shè)計(jì)如圖3所示。

1.2 頂蓋沖壓仿真與工藝優(yōu)化分析

設(shè)計(jì)完成后，需要對其生產(chǎn)制造工藝及工序等進(jìn)行評估。采用AUTOFORM軟件對頂蓋沖壓過程進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致沖壓仿真異常，以便進(jìn)一步進(jìn)行頂蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)。仿真沖壓成型工藝過程如圖4所示。

在沖壓仿真過程中，重點(diǎn)觀察是否存在拉伸撕裂、起皺等設(shè)計(jì)上的問題。如有則及時(shí)修正模型設(shè)計(jì)。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(shí)也可觀察到頂蓋鈑金的金屬質(zhì)量流動分布情況，能夠預(yù)知鈑金沖壓后質(zhì)量分布的初步情況，如圖5所示。所設(shè)計(jì)的頂蓋基本達(dá)到理想的沖壓設(shè)計(jì)，并考慮沖壓相關(guān)的制造工藝，進(jìn)行下一步試模試產(chǎn)工作。

2 頂蓋的加工制造與分析

頂蓋在設(shè)計(jì)仿真結(jié)束后，要進(jìn)行沖壓試模，以檢驗(yàn)沖壓后是否會出現(xiàn)在仿真中不可預(yù)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(shí)是否正常、有無松動、模隙是否合理，如圖6所示。

在沖壓模具檢查無誤的情況下，綜合制造經(jīng)驗(yàn)及仿真情況進(jìn)行試模，在試模過程中會清晰看到產(chǎn)品的初形是否會因?yàn)樵O(shè)計(jì)的沖壓噸力過大、材料流動性不好等原因?qū)е马斏w鈑金出現(xiàn)起皺、紋理狀等異常沖壓現(xiàn)象。經(jīng)過沖壓試模，發(fā)現(xiàn)頂蓋有起皺的現(xiàn)象，如圖7所示。經(jīng)過綜合評估，調(diào)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(fù)調(diào)整噸壓力、壓邊力，或者增加壓力圈，并不斷改進(jìn)，雖然未出現(xiàn)大量的問題產(chǎn)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(shè)計(jì)仿真計(jì)算時(shí)，選擇的材料體系是滿足仿真計(jì)算要求的，未發(fā)現(xiàn)開裂、起皺的現(xiàn)象，但在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中卻發(fā)現(xiàn)問題，有可能是頂蓋鈑金來料有異常，其機(jī)械性能與理想中的材質(zhì)還是存在一定差距。

3 結(jié)論

根據(jù)輕量化設(shè)計(jì)的原則，頂蓋采用輕薄鋼板5754-O材料體系，經(jīng)過了初步的力學(xué)仿真計(jì)算，在仿真過程中修正設(shè)計(jì)，并結(jié)合企業(yè)工程制造與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成時(shí)需要綜合考慮工程制造，采用專業(yè)軟件進(jìn)行沖壓成型仿真分析，結(jié)果顯示沖壓質(zhì)量分布均勻，未出現(xiàn)異常。但在實(shí)際生產(chǎn)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(jìn)沖壓工藝，直至更換體系材料，才徹底解決產(chǎn)品異常的問題。對頂蓋設(shè)計(jì)與制造過程進(jìn)行反思，得到如下3點(diǎn)思考：

1）通過動力電池包頂蓋的結(jié)構(gòu)及其孔位公差設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性；

2）借鑒沖壓仿真軟件的計(jì)算分析，優(yōu)化制造工藝，獲得沖壓后具有良好質(zhì)量分布的頂蓋仿真結(jié)果，有效提高了設(shè)計(jì)與制造效率，加快了研發(fā)進(jìn)度；

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

總之，設(shè)計(jì)與實(shí)際工程生產(chǎn)會存在一定的差異，產(chǎn)品制造異常可能是外界因素導(dǎo)致，比如生產(chǎn)設(shè)備、材料本身等原因，因此在制造與生產(chǎn)過程中，工程師應(yīng)該反復(fù)推敲，積累設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)。