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新能源汽车低成本电池包壳体的激光焊接工艺

2020-08-18

  随着新能源汽车发动机部件被电池系统替代,全新的产业链体系让企业竞争压力较小,如StreetScooter,e.GO Mobile或Sono Motors等初创企业也能够推出批量化生产的电动车产品。电动汽车的核心元件是电池系统,它由最小的单元电池组成。多个电池单元形成电池模块,然后将几个电池模块组合在电池组壳体中就形成了电池组。电池系统对电动汽车的开发和生产成本具有较大的影响。相关数据显示,电池系统占车辆总成本的35%-50%,而电池组装配线的投资成本可能达到约5700万欧元。

新能源汽车低成本电池包壳体的激光焊接工艺

  电动汽车的电池单元是整个车身结构中的敏感部件,由于包含的能量和化学物质,其对环境和人员具有潜在的安全威胁。为确保电动车安全可靠的行驶,电池系统的制造需符合相关法律要求。UNECE R100法规给出了电动车认证所需的各种测试标准。


  首先,电池组的密封性要求较高,一方面防止水或其他异物进入,另一方面也防止电解液在发生损坏时流出。其次,电池组需要较好的温控系统。高温会触发电池短路并突然释放能,要求即使是外部的热源,例如车辆起火的情况下,也必须避免相邻的电池单元过热,并且能有效控制热量在电池组中的传播。此外,电池组在发生碰撞时不得穿透乘客舱,危及乘客。新能源汽车电池组具有较高的质量和较大的体积,一般安装在地板中间。不仅空间足够设置,而且重心低,利于车辆驾驶。同时在正碰和侧碰时都能很好的得到保护。


  此外,电池组安装的空间设计也需要关注,需要在满足车身结构一般要求(如行人保护、乘客舱设计等)的条件下进行结构设计。在最终组装时,电池系统一般需要整体组装入车型主体中。对于电池系统,不同的组件性能要求的重点也不同。比如,电池模块一般是封装后再进行整车组装,因此其在驾驶过程产生的机械影响方面要求就很低。碰撞安全性一般需要考虑整个电池包组装到车体后的安全性。热管理主要是要避免电池单元产生的热量散发对电池模块和电池壳体产生的不良影响。而防止穿入乘客舱的保护又由电池组壳体本身和车身独立地提供。


  电池包的低成本化是新能源汽车供应商和主机厂的迫切需求,而通过对电池壳体的设计来满足电池系统的部分性能要求,减少每个组件的性能设置,将是较具潜力的低成本方法。


  下表给出了封闭式48V电池模块的性能要求。电池包的设计满足了密封、防止意外触碰、热管理等要求。同时,电池包PACK显著降低开发成本和时间。组装后作为车身底板的一部分也确保了耐火性。


  电池包壳体的性能要求主要是针对汽车行驶过程和整车组装过程产生的机械性能要求。因此,电池包壳体一般由金属板制成,如图1所示。两个横梁连接一块底板,形成了八个区域。电池模块通过支架安装入电池包中。该电池包原型采用激光切割钣金件,308个盲铆钉连接,生成时间约为38分钟。


  从劳动成本方面,原来采用的铆接工艺不适合大批量的生产。团队研究了自动化程度更好的连接工艺,如自动铆接、电阻点焊(RSW)、以及激光焊接。而电池包壳体的激光焊接工艺过程与车身钣金件的焊接类似,可节约生产时所需的夹具数量,降低成本。


  通过使用与元件集成的夹具结合激光焊接,可大大简化电池组壳体的设计,与铆接结构相比,电池包壳体的底板仅略微改变。横梁从上方插入底板,并在底部形成凸起从而市场连接。此外,通过改变横梁的顶部边缘结构,可省略外部纵梁,而内部纵向支架保持不变。


  采用激光焊接的电池包壳体与原铆接壳体相比,质量从12.4减少到8.2千克,零件数量从26变成15个,减少了42%。焊接工艺单侧可达,且集成夹具功能的连接器实现了组件的定向和夹紧。焊接设备可同时实现两个壳体的同时焊接,一个焊接内部,一个焊接外部。实验表明,30个连接器的激光焊接时间约为3分钟,组装可在同一工作周期内完成。设备旋转需要的时间为20秒。因此,采用激光焊接的低成本电池包壳体的生产时间为3分20秒,与38分钟的铆接相比减少了91%。


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