铝合金电池箱气密性的控制

杨志源，宋 尉，陶荟宇

（南南铝业股份有限公司，广西 南宁 530299）

0 引言

近几年，新能源汽车迅猛发展。为了提高新能源汽车性能和行车里程，汽车的轻量化越来越受车企的重视。电池托盘作为电池包上重量比重较大的部件，是轻量化的重要方向，铝合金被大量应用在电池托盘上。相比铸铝箱体，铝板材箱体由于尺寸设计范围大、模具开发成本低、材料性能优越等优点获得了大量的应用。箱体分上盖和下箱体两部分，两部分翻边处有密封圈垫着，并用螺栓锁紧确保装配气密性，但下箱体由较多铝部件装配焊接而成，制造过程容易出现气密不良，导致水汽、灰尘进入到电池包内，进而导致电池包故障或断电。整个电池的气密性是组件的关键参数，电池托盘气密是否达标，将影响整个电池的安全、性能和寿命，甚至影响行车安全。本文以典型的液冷电池箱为例，着重讨论下箱体气密性的控制。

1 液冷铝合金电池箱的气密要求及制造工艺

电池包主流散热方式有风冷和液冷两种。风冷的配置结构简单，但散热比液冷差。液冷配置结构复杂且技术要求高，液体要求有高导热系数、高热容及其与固体间的高对流换热系数等。这对降低电池组温度、改善温区均一性效果显著。因此，液冷正逐渐取代风冷成为主流的动力电池冷却方式。但液冷技术对液冷箱的气密性要求较高。

如图1所示，液冷箱体由6种零件共计12个零件拼焊而成。

图1 液冷下箱体结构

液冷电池箱的气密性分为两部分，下箱体气密性和液冷流道的气密性，两者都与其容积有关，因此各个箱体的气密参数不同；同时，流道气密性要显著高于箱体气密性。气密性测试方法为：模拟电池包装配状态开发专用气密测试工装，使测试过程的箱体和流道接近正常工作状态，在室温（25±3）℃，无流动空气环境下，通过精密的气密测量仪向箱体或流道内充入特定压力的压缩空气，充气时间60s，保压时间60s，检验60s，查看最后的压降值，小于技术要求说明气密良好，为合格品。常见的箱体气密参数见表1。

表1 尺寸比较（单位：mm ×100）

表1 常见箱体和液冷流道气密参数

铝板材电池箱的主要工艺有：铝锭熔铸、板材挤压、下料锯切、零件机加工、弧焊和搅拌焊、流道气密测量、整体机加工（主要是钻孔）、安装配件。如图2所示，箱体装配和焊接主要有4道工序。

图2 液冷电池箱装配焊接工艺路线

图4和图5显示，焊缝漏气问题集中在收弧中心位置漏气和烧穿漏气。

图4 收弧中心漏气

图5 烧穿漏气

2 漏气点和原因

对20个气密不合格的电池托盘进行统计分析发现，漏气点多达49处，其中，塞块焊缝12处，水嘴焊缝9处，横梁焊缝6处，底板腔体侧壁开裂8处，边框与底板焊缝6处，边框与前后封板焊缝8处，83.7%是焊缝导致，16.3%是板材腔体开裂导致。单个电池托盘如图3所示，分析检查漏气的位置主要有6处。

图3 漏气位置

切开箱体焊缝进一步检查，如图6所示，焊缝质量较差。

图6 焊缝切面

对焊缝切面进行剖析可知，焊缝熔合不良，根部未熔合满焊存在间隙，箱体内外、内部焊缝收弧中心、焊缝根部及外侧焊缝的收弧中心形成连通，只要有一处漏气就会导致整体受液体腐蚀。

底板腔体漏气问题。从图7看到，由于板材流道腔侧壁有裂纹和变形褶皱。从图8看到，焊接横梁时未压紧底板，导致两端的模组横梁焊缝收缩后将底板往上拉扯起翘，变形严重。由此可知，底板腔体漏气的根本原因是焊接变形大，且板材焊合质量差，板材存在分层[1]，无法承受焊接变形的应力。

图7 底板流道腔壁裂纹

图8 底板端头翘起

综合以上分析可以判断，制造过程气密性缺陷的原因是板材质量差、焊接质量差、焊接变形大。

3 控制措施

板材焊合质量问题常见的原因有：挤压力低，模具结构不合理，形成不了足够的静水压力[1]，挤压温度过高，挤压速度过快[2]等，根据以上经验和原因分析，结合本次板材结构特点，从提高焊合力入手制定以下措施，确保板材质量：①通过修理模具，提高焊合力，具体为上模增厚，分流孔适当减小，在保证模芯刚性、强度的前提下，增加焊合室的高度以加大焊合室的容积。②调整挤压工艺参数，促进焊合，具体是调整温度和挤压速度。③选择板材安排在较大的机型上挤压，从2800T挤压机转移到4000T挤压机进行挤压。针对焊接质量和变形问题制定了以下措施，确保焊接良好，变形小[3]：根据不同板厚和焊缝要求设定不同焊接参数，增加工装夹紧点控制变形。

（1）改善板材模具和挤压工艺。将板材模具转移到较大的机型上挤压，提高挤压比。上模增厚，分流孔减小，增加焊合室的高度，挤压温度适当降低，挤压温度由475℃降至440℃，挤压速度由3m/s降低为2.4m/s。新挤出板材外观良好，无黑带或严重色差，如图9所示，对其进行压裂检验，检查结果焊合良好，如图10所示。

图9 新板材外观

图10 焊合检查

（2）增加工装，减少变形量。调整焊接工艺，增大焊接电流，适当降低速度，如图11-图13所示，焊接质量明显改善，外观非常平整，熔合良好，同时可以看到，在工装的控制下，底板末端未发生起翘，能够紧贴平台，变形有大幅改善。

图11 焊接全程夹紧

图12 调整焊接工艺前

图13 调整焊接工艺后

以上措施方向正确，实施有效，完成的箱体和液冷底板气密性达到设计要求，产品合格率由原来的55%提到90%。

4 结语

板材质量、焊接水平、焊接变形都会影响铝箱体的气密性，对截面宽且薄的液冷板影响更大，对板材和焊接的参数和工艺应充分验证，做好检验，确保过程质量和一致性，方可确保铝板材电池箱的气密可靠性。