寧水根 付浩

（1.九江職業(yè)技術學院；2.寧德時代動力電池研究院）

動力電池是電動汽車產(chǎn)業(yè)核心技術之一，影響著電動汽車的性能與安全[1-2]。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險。除了在電池能量密度上的性能提升以外，電池包的集成結構件的減重也得到了行業(yè)界一致的認可。國內外研究人員對電池包輕量化進行了大量的探索與驗證[1,3-5]。某公司在電池包頂蓋設計當中采用碳纖維，并通過合理的設計及仿真驗證，使得電池箱頂蓋滿足了使用性能，且降低了電池包整體質量。由于碳纖維材質頂蓋成本較高，文章研究的頂蓋采用輕薄鈑金，并從理論設計和生產(chǎn)制造上闡述相關問題，為后續(xù)制造工藝提供一定的參考。

1 頂蓋的結構設計與沖壓工藝優(yōu)化

1.1 頂蓋結構與回彈公差設計

動力電池包結構件主要由模架、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電池包模組；模架固定模組在電池托盤上；頂蓋密封整個電池包。

圖1 電池包結構與頂蓋

頂蓋張面面積較大，在軸向面運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）設計紋面加強筋，增強蓋面強度。所設計的頂蓋是否滿足電池包在X、Y、Z軸方向的運動沖擊強度，均需要根據(jù)ISO 12405、GB/T 2423.56以及生產(chǎn)設計企業(yè)的技術標準進行仿真參數(shù)確定[6-9]，并進行Workbench仿真分析。仿真結果若存在異常，需要進一步修正模型。仿真結果如圖2所示，頂蓋的結構應力分布均勻，滿足X、Y、Z軸運動方向上的沖擊，且應力值遠遠小于設計所限材料的強度值，頂蓋結構設計合理。

圖2 頂蓋仿真結果界面

除了頂蓋強度設計外，更應該重視的是頂蓋孔位的尺寸位置問題，必須在設計時保證合理公差。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，因此合理設計公差就顯得非常必要。頂蓋在實際沖壓工序結束后會出現(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)驗選定，所設計的頂蓋保持了0.6～0.9 mm的孔位余量，設計如圖3所示。

圖3 孔位公差設計

1.2 頂蓋沖壓仿真與工藝優(yōu)化分析

設計完成后，需要對其生產(chǎn)制造工藝及工序等進行評估[10-11]。采用AUTOFORM軟件對頂蓋沖壓過程進行仿真分析，仿真參數(shù)如表1所示。在仿真成型過程中，判斷其是否因機械結構設計缺陷導致沖壓仿真異常，以便進一步進行頂蓋結構改進。仿真沖壓成型工藝過程如圖4所示。

表1 沖壓工藝仿真模型所用的材料參數(shù)

圖4 沖壓成型工藝過程

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

圖5 沖壓后頂蓋質量分布界面

2 頂蓋的加工制造與分析

頂蓋在設計仿真結束后，要進行沖壓試模，以檢驗沖壓后是否會出現(xiàn)在仿真中不可預知的情況。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。模具合模時是否正常、有無松動、模隙是否合理，如圖6所示。

圖6 合模狀態(tài)

在沖壓模具檢查無誤的情況下，綜合制造經(jīng)驗及仿真情況進行試模，在試模過程中會清晰看到產(chǎn)品的初形是否會因為設計的沖壓噸力過大、材料流動性不好等原因導致頂蓋鈑金出現(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。反復調整噸壓力、壓邊力，或者增加壓力圈，并不斷改進，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。在設計仿真計算時，選擇的材料體系是滿足仿真計算要求的，未發(fā)現(xiàn)開裂、起皺的現(xiàn)象，但在實際生產(chǎn)當中卻發(fā)現(xiàn)問題，有可能是頂蓋鈑金來料有異常，其機械性能與理想中的材質還是存在一定差距。

圖7 起皺現(xiàn)象

圖8 開裂現(xiàn)象

3 結論

根據(jù)輕量化設計的原則，頂蓋采用輕薄鋼板5754-O材料體系，經(jīng)過了初步的力學仿真計算，在仿真過程中修正設計，并結合企業(yè)工程制造與設計經(jīng)驗，不斷優(yōu)化設計結構。頂蓋結構設計完成時需要綜合考慮工程制造，采用專業(yè)軟件進行沖壓成型仿真分析，結果顯示沖壓質量分布均勻，未出現(xiàn)異常。但在實際生產(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。對頂蓋設計與制造過程進行反思，得到如下3點思考：

1）通過動力電池包頂蓋的結構及其孔位公差設計，提高產(chǎn)品設計的可靠性；

2）借鑒沖壓仿真軟件的計算分析，優(yōu)化制造工藝，獲得沖壓后具有良好質量分布的頂蓋仿真結果，有效提高了設計與制造效率，加快了研發(fā)進度；

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

總之，設計與實際工程生產(chǎn)會存在一定的差異，產(chǎn)品制造異?？赡苁峭饨缫蛩貙е拢热缟a(chǎn)設備、材料本身等原因，因此在制造與生產(chǎn)過程中，工程師應該反復推敲，積累設計與制造經(jīng)驗。