钢材电池包箱体冲压方案探讨

张明旺，谭学钢

（零跑汽车有限公司，浙江金华 321000）

1 引言

2019年被称为电动汽车元年，为了应对石油危机，中国的电动汽车策略，已经深刻影响到了全球的汽车发展格局，电动汽车的发展已经是传统燃油车主机厂的战略发展方向，并也因此孕育了一批新能源电动汽车厂。电动汽车的异军突起是这个时代的机遇，也是这个时代的使命。与传统燃油车相比，续航问题是摆在购车人面前最大的焦虑点。

续航里程从我司S01车型的451公里，到最近发布的C11车型，综合续航里程突破600公里。无不说明，续航里程的焦虑随着科技的进步在不断的淡化。但是，整个电池包的成本却占到了整车成本的三分之一左右，无疑成本问题将成了电动汽车最大的痛点。传统电池包一般是通过铝型材压铸然后焊接而成，不仅生产效率极低，而且成本居高不下。我司突破传统思维，采用白车身常见的钢材冲压件焊接模式组装成电池包箱体，充分利用冲压车间的现有冲压机床及焊接车间的原有机器人设备，通过厂内成熟的物流体系及质量体系，能够大幅提高生产效率、有效降低制造成本并且能够把控整个电池包的制造质量。

由于电池包箱体对于气密性的特殊要求，箱体结构的下壳体和上盖的尺寸成为了项目的关键指标，本文也是主要针对钢制电池包箱体的上盖和下壳体的冲压可行性、冲压工艺以及模具开发做一些探讨和总结。

2 前期数据分析

初版数据是参照传统电池包箱体结构，如图1所示，下壳体负责承重，材质为220Y，上盖负责密封，材质为DC04，这样就造成上盖成型深度过大，最大深度达到120mm，为了保证电池模组的容量，拔模角度最大只能做到10°，通过分析，在上盖的角部出现明显的开裂现象，同时法兰面起皱严重，角部法兰面甚至出现了叠料现象。因此上下箱体的分缝位置需要重新调整（见图2），将上盖的深度变浅，控制在深度80mm左右，电池模组端头的外插线部分，留在下壳体，既能保证安装的便捷性又能保证制件精度。

图1 初版数据

图2 修改分缝位置

修改后通过不断的分析优化，最终达到了冲压要求，既保证法兰平整度的同时又能保证侧壁及圆角无开裂风险。分析过程中上盖和下壳体侧面都出现了尺寸内凹、法兰面起皱等问题，最大回弹尺寸达到3mm以上，侧面的内凹同时影响到了法兰面的尺寸回弹，经过多轮分析验证，拉伸工艺方案由双筋更改为拉伸槛加单筋结构，同时制件优化，侧壁增加补强筋，抑制侧壁内凹，最终制件侧壁及法兰面回弹都得到了有效控制，最终分析结果仅在侧壁拐角处的法兰面出现了轻微的起皱。最终数据分析如图3、图4所示。

图3 上盖分析结果

图4 下壳体分析结果

3 工艺方案

电池箱体上盖与下壳体都属于盒形件，侧壁易回弹，法兰易起皱，为了满足整体尺寸符合率的要求，传统工艺方案一般为5道工序：拉伸→修边→修边冲孔→整形→冲孔（侧冲）。由于受到降本方面的制约，工艺方案需要有新的挑战。

为了保证箱体的性能要求，下壳体和上盖的法兰必须要有整形工序，才能为修边后法兰尺寸的整改，提供有效的整改空间；在装配过程中上盖与下壳体法兰上的孔位需要对齐，才能保证螺栓顺利通过并拧紧，因此孔位位置度需要满足设计要求，冲孔工序需要放在整形工序之后才能有效的保证孔位的准确，同时需要将工序数量缩减到最少。

综上所述，拉伸、修边工序不可少，为了保证法兰的尺寸需保留整形工序，法兰一圈的冲孔工序为了保证孔位还需要单独一道工序，为了缩减工序，可以考虑将修边工序与整形工序合并，因此上盖的极限工艺方案为3道工序：拉伸→修边整形→冲孔，如图5所示。

图5 上盖极限工艺

下壳体较上盖增加了侧壁插线孔，因此存在法兰上正冲和侧冲无法错开的情况，如图6所示，为了保证法兰密封面上孔位的一致性，将侧冲的孔位调整到第2工序，同时此处的废料区域也安排到第4工序，第3工序只保留整形。因此下壳体的工艺方案为：拉伸→修边侧冲孔→整形→修边冲孔。

图6 下壳体工艺方案

4 模具结构

模具结构除上盖OP20以外，其余都是常规模具结构，OP20由于工艺的特殊性，将修边工序与整形工序合并，整形是通过法兰周圈的整形镶块，修边需要将周圈的废料一次全部修掉，因此在模具结构图纸上需要将两个刀块叠加安装，如图7所示，并且修边刀块工作时，由于整形刀块还未到底，因此修边刀块的切入量需要尽量缩减，波浪刀切入量控制在1.5倍的板厚与3倍板厚之间，尽量减小空切对法兰尺寸的影响，并且法兰面修边轮廓尺寸公差为±1.0mm，空切的微量波动，对制件质量影响非常小，上模结构如图7所示。

图7 上盖结构

5 零件尺寸符合率

上盖与下壳体，通过焊接成为焊接总成并通过涂装电泳，再装配电芯后上下通过螺栓打紧，最终装配成电池包，整个电池包还要经过气密、涉水等各种测试，最终才能达到一个合格的制件，因此最终制件的特殊性，也决定了对于箱体尺寸有着更严格的要求。

对于上盖、下壳体的关键尺寸必须满足设计需求：法兰面整体公差需控制在±0.5mm，下壳体关键焊接位置通过卡板检测，公差也为±0.5mm，同时还要保证所有的装配孔，孔位达到100%合格。并且需要模具整体研合率达到90%以上，避免因为尺寸的波动影响焊接质量和孔位的偏差，两个件首件状态在法兰面上出现了明显的波浪，后期通过整形工序的研和与强压，消除了明显的起皱与波浪，证明整形工序在整个电池包质量提升中的必要性。

最终通过不断的调整和试模，模具自动化联调出件，通过检具测量，上盖整体尺寸符合率达到94%，下壳体整体尺寸符合率达到93.5%，两个件关键尺寸和孔位达到100%。

6 分析与结论

最终电池包质量通过了质量验证，上盖和下壳体也都满足了设计要求，达到了量产交付状态，也验证了降本方案，上盖通过缩减工序，修边整形同序生产的可行性。

制件拐角处法兰面上的轻微起皱与前期分析结果基本一致，由于法兰面上有密封压条和密封圈的作用，最终制件也达到了使用需求，轻微的角部起皱，并未影响到制件的气密性要求。

模具回厂之后，通过提高压边力，调整平衡垫块间隙，保证不开裂，无暗裂，起皱可控的情况下，不断缩减板料尺寸，将拉伸工序成品后的抽料线，保留在半个拉伸筋的位置，最终两个件的材料利用率都提高到了82%以上。与前期分析的78%的材料利用率提升了4个百分点，节省了单车成本。

7 结束语

修边工序与整形工序的整合有效的降低了工序数量，节省了前期模具开发成本；拉伸抽料线控制在半个拉伸筋位置，通过量产验证，制件稳定可靠，对于单件和整车降本也起到了很关键的作用。

钢材冲压制电池包箱体，最终达到了量产，并满足了制件的一系列测试，充分验证了此方案的可行性，也为后续车型电池包降本方案提供了可靠的借鉴意义。