新能源汽車電池包關鍵連接技術

胡大武，張桂源，曹鵬程，顧偉，徐紅勇，張陽陽，洪曉祥，吉華

航天工程裝備（蘇州）有限公司 江蘇蘇州 215100

1 序言

近年來，受益于國家優惠政策，新能源汽車行業得到了蓬勃發展，其銷量也在逐年遞增。為了適應并擴大市場需求，解決“里程焦慮”的問題，新能源汽車正不斷地追求著輕量化。電池包作為新能源汽車開發中十分重要的部件，其趨同的技術與生產水平備受人們的關注[1]。目前，行業內普遍使用的電池包箱體有：鋁型材電池包箱體、鑄鋁電池包箱體和鈑金電池包箱體等。鈑金電池包箱體安全性、可靠性高，多數使用在公共交通工具上，如公交車。對于小型轎車而言，多數使用的是鋁制電池包箱體。

鋁制電池包箱體承載結構主要分為兩種：底板承載式結構和框架承載式結構。大眾公司在研究中發現框架承載式結構更容易實現輕量化以及滿足不同結構下的強度要求，并將此結構應用于奧迪A6EV車型上[2]。依據承載結構的不同，其對應的生產工藝流程、方法也存在一定的差別。本文針對電池包箱體制造的關鍵連接技術：鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護焊、攪拌摩擦焊、激光焊以及新興的螺栓自擰緊技術（FDS）和膠接技術等分別進行介紹。

2 傳統熔化焊

2.1 交流鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊（TIG焊）屬于非熔化極惰性氣體保護焊的一種，是在惰性氣體的保護下，利用鎢極與焊件間產生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（也可以不加焊絲），從而形成優質焊縫的焊接方法[3]。交流TIG焊在焊接時具有電弧與熔池的可見性好、操作簡單、焊縫外觀無焊灰及不需清潔等優點，并且具有清理氧化膜的作用，因此非常適合鋁制電池包箱體的焊接。此外，對于空間狹小的短焊縫焊接以及密封性要求高的焊縫也尤為合適。例如，比亞迪和吉利旗下多款混動車型的電池包箱體，在生產制造過程中均大量采用交流TIG焊，實現殼體的連接，保證工件氣密性，其TIG焊縫約占箱體總焊縫量的80%。某車型電池包下箱體焊縫如圖1所示，箱體結構緊湊，型材剛度大，可以選擇交流TIG焊。然而，隨著箱體結構的演變，箱體尺寸在變大、型材結構在變薄、焊接結構在優化以及焊后尺寸精度要求在提高，因此交流TIG焊的優勢并不凸顯。相反，其缺點：焊接速度慢、焊接熱輸入大、焊后變形大、不易控制等，限制了箱體的高效生產。因此，熱輸入小、變形小、工作效率高的熔化極氣體保護焊開始漸漸取代TIG焊。

圖1 某車型電池包下箱體焊縫

2.2 CMT焊

CMT（Cold Metal Transfer）是一種全新的MIG/MAG焊接工藝，它是利用一個較大的脈沖電流使得焊絲順利起弧，并在焊絲端部熔化長大，在熔滴即將發生脫落的時刻，電流急劇衰減至幾乎為零，利用熔滴與熔池的表面張力、熔滴自身重力和焊絲的機械回抽作用，實現熔滴的完美過渡，從而形成連續的焊縫[4]。相比傳統MIG焊，CMT技術具有熱輸入小、無飛濺、電弧穩定以及焊接速度快等優點，可用于多種材料的焊接，在鋁制電池托盤的生產制造中占據著舉足輕重的地位。例如，比亞迪、北汽旗下多款車型所使用的電池包下箱體結構，多采用CMT焊接技術，其焊縫約占箱體焊縫的70%。箱體簡易結構如圖2所示，邊框與底板（采用間斷焊或整圈滿焊）以及橫梁與底板之間的焊接均采用CMT焊接工藝，只有底板背部為攪拌摩擦焊。多數電池包箱體供應商在生產制造過程中，為了保證焊接質量（見圖3），引用機器手自動化焊接取代人工焊接，提高了生產效率，保證了焊縫的一致性及工件精度。

圖2 電池包下箱體熔化焊簡易結構

圖3 鋁制電池包箱體CMT焊縫

雖然隨著自動化程度的提高，MIG焊在電池包箱體焊接中占據的比重越來越高，但是其仍難擺脫鋁合金傳統熔化焊的焊接問題，如熱輸入大引起的變形、氣孔、焊接接頭系數低等。因此，高效綠色、焊接質量更高的攪拌摩擦焊技術走進了人們的視野。

3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（FSW）是英國劍橋焊接研究所發明的一種固相連接技術。與傳統熔化焊焊接原理不同，FSW是以旋轉的攪拌針以及軸肩與母材摩擦產生的熱為熱源，通過攪拌針的旋轉攪拌和軸肩的軸向力實現對母材的塑化流動，最終得到區別于熔化焊鑄造組織的精細鍛造組織的焊接接頭[5]。FSW具有焊接變形小、無裂紋及氣孔等缺陷，且焊接接頭強度高、密封性好等優點，被廣泛應用于電池包箱體焊接領域。例如，吉利、小鵬旗下多款車型的電池包箱體均采用雙面攪拌摩擦焊結構。其簡易結構如圖4所示，此結構主體部分使用FSW，只有邊梁以及小件等少量焊縫采用熔化焊，提高了生產效率以及箱體的整體安全性能。常規的單軸肩FSW后會產生飛邊，增加了焊縫打磨的工作量（見圖5）。為了減少甚至解決飛邊問題，催生了恒壓力FSW、靜止軸肩FSW等技術。

圖4 電池包箱體FSW簡易結構

圖5 鋁制電池包箱體FSW焊縫

常規電池包箱體生產工藝流程為邊框與底板的獨立焊接，之后進行組裝焊接。單獨的底板模塊進行單軸肩FSW，其焊接作業效率低，底板變形調控較難。目前，國內外均開始研究該結構的雙機頭焊接（見圖6），通過雙面同時焊接，降低底板變形量，同時縮短單工序作業時間。圖7所示為雙機頭FSW焊接打樣產品，其整體平面度控制在2mm以內。

圖6 雙機頭FSW模擬

圖7 雙機頭FSW焊接產品

4 激光焊

激光焊是屬于高能束焊的一種，是利用能量密度極高的激光束照射在待焊材料表面，使材料熔化并形成可靠的連接接頭[6]。隨著激光技術的成熟，激光焊接在車身制造中被廣泛應用（見圖8），主要用于汽車車門、前后蓋、頂蓋、流水槽和側圍外板等零部件的焊接[7，8]。在新能源汽車電池包領域，激光焊也有應用實例，如2018年上海凌云科技股份有限公司為大眾汽車制造的一款電池包，已經順利交付生產。但是，由于激光焊設備前期投資成本高、回報周期長，以及鋁合金激光焊接困難等原因，激光焊并沒有得到廣泛應用。

圖8 激光焊接鋁合金焊縫

5 其他焊接工藝

隨著新能源汽車電池包箱體結構的演變，其相應的生產制造技術也在不斷地更新。為了緩解焊接變形對箱體尺寸精度的影響，出現了螺栓自擰緊技術（FDS）和膠接技術等，其中比較出名的企業有德國WEBER公司和美國3M公司。

5.1 螺栓自擰緊技術（FDS）

FDS連接技術是一種通過設備中心擰緊軸將電動機的高速旋轉傳導至待連接板料摩擦生熱產生塑性形變后，自攻螺絲并螺栓連接的冷成形工藝[9]，如圖9所示。通常配合機器人使用，自動化程度高。在新能源電池包制造領域，該工藝主要應用于框架式結構箱體，配合膠接工藝，在保證足夠連接強度的同時實現箱體的密封性能。例如，蔚來某款車型的電池包箱體就采用了FDS技術，并已經量化生產。雖然FDS技術優勢明顯，但是也有其缺點：設備成本高、焊后凸起以及螺釘造價昂貴等，另外使用工況也限制了自身的應用。

圖9 FDS技術連接效果

5.2 膠接技術

膠接技術是一種利用膠粘劑在連接面上產生機械結合力、物理吸附力和化學鍵合力而使材料連接起來的工藝方法[10]。膠接技術不需要高溫高壓環境，因此它具有不易變形、結合應力分布均勻的優點。據3M公司介紹，膠接技術在新能源汽車電池包上已經開始應用，如底板的拼接使用膠接技術，其結構膠的最大抗剪力可以達到40MPa。綜合分析，膠接技術可以應用在結構強度要求不高或以密封性要求為主的電池包組件上，如支架固定塊之類的小件。

6 展望

1）結合寧德時代的CTP技術、比亞迪的“刀片電池”技術以及江淮的“蜂窩電池”技術特點：CTP技術主張無模組化，其箱體結構更依賴于熔化焊；“刀片電池”技術和“蜂窩電池”技術要求箱體為底板承載式結構，為了更好地控制箱體尺寸，FSW是箱體制造最好的選擇。

2）特斯拉中國工廠引進了4臺千萬噸級的壓鑄機，致力于電池包箱體壓鑄技術研究，盡可能地去除焊接對箱體安全性能的影響。一旦底板整體壓鑄研究成功，箱體關鍵連接技術轉而成為了鑄鋁焊接的問題，因此激光焊更有發展潛力。

3）綜合分析以上電池包箱體連接技術，筆者認為熔化焊是箱體制造中必不可少的連接技術，而膠接技術更多是配合其他連接技術使用，實現不可焊位置獲得良好的密封性。