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嘉峪檢測網 2025-02-04 11:45
電池導熱膠的主要功能是將模組產生的熱量傳導到電池盒等部件，參與對整個電池包的熱管理，其不但影響電池包產品的性能，而且關系到電池在極端條件下（如碰撞）的熱擴散性能，關乎人身安全。動力電池在不同放電倍率下存在溫升發熱導致的溫度分布不均及過熱現象，使用熱物性參數較好的導熱膠可以顯著降低電池的溫升與溫差，電池溫度分布也更加均衡[1，2]。鑒于導熱膠對電池產品質量具有至關重要的影響，本文開展了導熱膠面積覆蓋率的研究，旨在探索最優的工藝及產品質量保證方法。
Cmk是衡量生產過程穩定性和產品質量的重要指標，應用Cmk方法進行制造設備放行在機加工領域較為廣泛，在新能源電池制造領域尚不多見[3]。對于新能源電池導熱膠涂覆工藝，目前行業內未調研到使用Cmk方法進行工藝設備放行的先例，且梅賽德斯集團海外（德國、美國）電池工廠均不要求使用Cmk方法放行（通常選取一定數量的電池樣本，要求覆蓋率測量結果100%滿足公差要求）。然而，基于北京奔馳對于工藝及產品質量的嚴苛要求，電池導熱膠涂覆工位需要進行Cmk放行。
文章所列舉對象為本司生產的第二代電池產品，導熱膠覆蓋率要求嚴格、工藝技術復雜，使用Cmk方法放行面臨巨大挑戰。
電池導熱膠生產工藝及技術難點
1.電池導熱膠生產工藝
（1）導熱膠覆蓋率 本文研究對象為10模組電池，每個模組和電池盒之間存在間隙（理論間隙為2.075mm，見圖1），
間隙內會填充導熱膠，導熱膠的面積有嚴格的覆蓋率要求。
模組底面和電池盒底面會形成一個空腔，空腔內涂覆18條膠，每條膠需滿足在投影平面內的面積覆蓋率要求，如圖2所示。
對于導熱膠的覆蓋率，圖樣給出了詳細的要求，根據實際間隙不同，覆蓋率有不同的要求。此外，對于第1條膠（M01）、第18條膠（M18）、第2～17條膠（M02～M17）也有不同的覆蓋率要求，見表1。
（2）導熱膠覆蓋率的工藝形成過程 導熱膠覆蓋率的工藝過程包含零件測量、間隙匹配計算、涂膠參數轉化、涂膠實施、壓裝擰緊、拆解（>24h）、覆蓋率測量及數據分析。工藝形成過程如圖3所示。
電池盒測量9個點的深度，模組測量9個點的高度，二者的測量值匹配計算獲得9個間隙值。通過間隙值以及數學算法獲得間隙空腔，進一步通過計算獲得18個膠條對應的涂膠量（體積），并將此涂膠量的信息輸入給涂膠設備。考慮到計算所得的涂膠量與實際狀況存在偏差，且涂膠壓裝過程中膠條形狀的變化也不可控，因此，涂膠設備會設置一個體積系數來補償偏差及形狀變化的影響，這個體積系數稱之為涂膠系數。
除了涂膠量和涂膠系數，涂膠過程的系統參數還包括機器人運行軌跡、運行速度、膠的溫度、出膠管路的壓力控制等，整個系統配合完成電池的涂膠過程。
模組底面涂完膠后，機器人會執行翻轉動作將模組壓入電池盒內，此后會執行壓裝擰緊的工序，完成電池包的組裝。靜置24h之后，將模組進行拆解（注：做覆蓋率測試之前，須在電池盒底面墊上一層0.1mm厚的薄膜，防止膠條與零件黏連，保證拆解后形狀完整），測量模組底面膠條的覆蓋面積，評價覆蓋率是否滿足要求（見圖4）。
2.導熱膠Cmk放行的技術難點
（1）涂膠設備分散 涂膠工位共有6套獨立的涂膠系統（涂膠機+模組抓取機器人+壓裝擰緊機器人），這6套設備共同完成1塊電池包產品的涂膠，如圖5所示。
對于Cmk放行，按照取樣標準，每臺設備需選取50組樣本，要求Cmk評價的結果≥1.67，達到此目標可完成Cmk放行。實際應用中，如果取50塊電池做設備放行會產生巨大的成本，包括零件成本、生產工時成本、返修成本等，這還未考慮到調試實驗階段的成本投入，因此，使用該方法做Cmk放行研究會占用相當長的一段時間周期和巨大的成本，實際生產中無法接受。
（2）工藝參數多樣 9點測量值匹配計算間隙值，9個間隙值通過數學算法生成18條涂膠間隙數據，此數據與實際狀況之間的關系，需要通過樣本數據實驗進行循環優化，保證算法的可靠性與一致性。
膠條壓實后，拆開模組測量涂膠面積，需考慮壓實過程中的變化規律，進行過程參數優化。
綜上，如何通過樣本實驗優化過程參數，使涂膠工藝過程中的算法模型更加精確的指導生產，是本項目的一個技術難點。
（3）標準要求精細化 圖樣給定的導熱膠覆蓋率要求，不同的間隙值對應不同的覆蓋率要求，同一間隙范圍，不同的膠條有不同的覆蓋率要求，覆蓋率數值要求嚴格，要求的分類方式復雜。
按照Cmk的評價方法，第1條、第2～17條、第18條需要分別取樣進行評價。此外，對于每一組，還要保證樣本數據的評價結果覆蓋所有的間隙范圍。實際生產中，模組和電池盒隨機組合，自然出現全部覆蓋3組間隙范圍樣本的概率極小，因此，通過自然匹配間隙的方式獲取Cmk放行的全部樣本是無法實現的。
技術方法研究
1.臺涂膠系統工藝一致性研究
考慮到使用50塊電池樣本進行Cmk放行研究帶來的巨大經濟成本和時間成本，本項目采用6臺涂膠系統整體放行（即涂膠工位整體放行）的方法。采用該方法的好處是可以保證電池包產品的10塊模組具有較高的涂膠一致性，保證了整體的涂膠質量和性能。此外，該方法可大大降低成本、提高效率、縮短實驗研究的周期。
但該方法也帶了技術上的巨大挑戰，把6臺系統的數據混在一起進行分析和評價，無疑忽略了設備彼此之間的差異，如果這個差異較大的話很難實現Cmk整體數據的一致性。因此，首先需要進行6臺涂膠設備的一致性研究及調整優化。
通過試驗數據，發現3號模組出現整體偏移的情況（見圖6），
分析原因是涂膠設備的初始位置差異性所致。
將涂膠過程分解，機器人抓取模組涂膠后停在壓平前的狀態，進行樣本分析。結合圖樣的標準要求，設計并制作檢查標準板（見圖7），
通過比較膠條的中心位置（壓制前）來確定調整參數。調整涂膠設備參數并驗證結果的有效性。
2.工藝參數研究
（1）涂膠系數研究 前文介紹了涂膠系數是為了補償理論涂膠量和實際狀態之間的偏差。涂膠過程中，很多影響最終覆蓋率的因素無法定量解決，只能通過優化涂膠系數進行綜合補償。這些影響因素包括但不限于設備的出膠精度、壓裝擰緊過程中的膠條形狀不規則變化、模組底面材料的影響、空腔間隙的不規則性等（見圖8）。
此外，按照簡單的理解，多涂膠（即增大涂膠系數）會增加覆蓋面積，但涂膠系數并不是越高越好，相反，過高的涂膠系數會導致覆蓋率下降以及引發氣泡問題。如圖9所示，
膠條與膠條過度擠壓形成氣泡，導致局部覆蓋率不足甚至引起導熱性能失穩。
為了獲得一組能夠指導實際生產的有效系數，本項目研究了樣本覆蓋率和涂膠系數之間的關系，設計多組試驗參數并通過大量的樣本數據建立模型，循環優化涂膠系數。最終的系數設置見表2。
（2）涂膠軌跡研究 項目實施過程中，發現第1條和第18條存在覆蓋率不足且不穩定的狀況，即使單獨提高此2條的涂膠系數，覆蓋率表現并無明顯提升。經分析，涂膠起始和終止軌跡會導致第1條和第18條出現閉腔問題（見圖10），
閉腔后內部氣體無法排除，壓裝過程該空腔內的氣體受壓縮會擠壓周圍的膠往外擴散，因此會導致此2處的覆蓋率降低。
將起始/終止軌跡從內收改為外延形式，以防止閉腔問題的發生（見圖11）。
經試驗驗證，效果良好。
（3）膠條形狀優化 按照圖樣要求，膠條理論形狀為矩形，實際生產中，膠條的涂覆軌跡是連續的（在矩形短邊處進行轉彎），壓裝后的形狀不可能是4個規矩的直角。如果要保證壓裝后的面積覆蓋4個直角區域，那就需要膠條軌跡延長一段，但零件上的邊緣并沒有足夠的空間延長，因此無法實現4個直角區域完全的覆蓋。
本項目提出建議給德國研發部門，膠條的形狀應進行優化（見圖12所示圓角）。
德國研發部門經過分析認為理論上是合理的，后經過熱擴散實驗驗證，證實改成圓角對產品性能無任何影響，因此同意推動此項變更實施。
3.大間隙樣本制作方法研究
前文闡述了導熱膠覆蓋率的要求，針對每一條膠，對于不同的間隙值，覆蓋率有不同的要求。如若滿足Cmk放行，樣本數據需覆蓋所有的3組間隙值，實際生產中，模組和電池盒的配合位置是隨機的，實際獲得的間隙值不可控。對于零件層級的生產，模組高度和電池盒深度都會控制在尺寸公差的中值附近，也就是匹配出來的間隙值基本上不會出現大于3mm的情況。
為了完成本項目的Cmk放行，需要制造大間隙的樣本。經過研究，本項目提出通過增加墊片的方法來獲得大間隙。方案如下：材料選取不易變形的鋼材，厚度控制在1.05mm，電池盒與模組所有接觸位置全部增加墊片（連接孔的位置按照圖樣鉆孔），墊片（見圖13）
與電池盒采用膠粘的方式，避免松動，加裝墊片后驗證測量工位是否干涉、擰緊機器人是否干涉，以及擰緊過程的扭矩控制是否報警等。
經過試驗驗證，本文提出的大間隙制作樣本方法滿足Cmk放行要求。
3、Cmk放行結果
應用上文闡述的原理和方法，本項目完成了電池涂膠工位Cmk整體放行（見圖14和表3）。
結 語
提出了6臺涂膠機整體Cmk放行的策略，技術上實現不同設備差異性研究及一致化調整，保證了過程的一致性和電池產品的涂膠面積覆蓋率的一致性。
涂膠系數、涂膠軌跡、膠條形狀全面優化，保證了Cmk的通過。實現了最佳的涂膠系數，解決了覆蓋率不足以及過量涂膠引發腔體內爆破性氣泡的問題；涂膠軌跡優化后可有效避免閉腔問題發生；膠條形狀對提升覆蓋率的測量結果有重要影響。
提出了增加墊片制作大間隙樣本的新方法，全面覆蓋圖樣要求的間隙范圍。增加墊片的方法，對工藝過程進行了二次驗證，保證了工藝過程的準確性和有效性。
本項目的方法和經驗可供同行業技術工作者參考和借鑒。
來源：汽車工藝師
