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《電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計與制造技術(shù)》連載(七):Pack沖壓成型與超聲波焊接仿真

【編者按】《電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計與制造技術(shù)》將于8月份出版,該書是繼《電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計》之后系列叢書的第二本專著,由王芳、夏軍等多位專家耗時一年聯(lián)袂打造,內(nèi)容涵蓋動力電池系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展綜述、系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、BMS設(shè)計、熱管理設(shè)計、結(jié)構(gòu)仿真分析、測試驗證,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踐參考。本文節(jié)選自《電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計與制造技術(shù)》第二六章“電池包強制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計”。

第六章:電池包強制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計

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,一個項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)計存在的問題,從而指導(dǎo)箱體和工裝夾具的設(shè)計。

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,通過計算機模擬沖壓成形過程。

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圖6-48 某電池箱上蓋

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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,采取單動形式,即凸模不動,壓邊圈將胚料壓在凹模上整體向凸模移動。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。

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圖6-50 沖壓成型過程

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圖6-51起皺變形量云圖

從仿真結(jié)果來看,該設(shè)計在成型過程中存在一定的撕裂風(fēng)險,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)險區(qū)域,需要增大此處的圓角,

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圖6-53 風(fēng)險區(qū)域

6.4.2 超聲波焊接仿真

超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需要焊接的物體表面,在加壓的情況下,使兩個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,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,振幅0.04mm,持續(xù)時間0.3~0.6s。

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圖6-54 銅鋁轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)

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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,因此銅鋁巴焊后裂紋屬于振動疲勞問題,既然是振動問題就應(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:

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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;3并設(shè)計因鋁巴較長,從分析結(jié)果來看有斷裂風(fēng)險,云圖中紫色即為危險區(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。

針對3并的銅鋁超聲波焊接,在工件的最外端加一個支撐限位的工裝,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。

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圖6-57 2并銅鋁巴超聲焊接疲勞結(jié)果     

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圖6-58 3并銅鋁巴超聲焊接疲勞結(jié)果

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圖6-59 優(yōu)化焊接工裝后的仿真結(jié)果

來源:第一電動網(wǎng)

作者:捷能科技

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