紧固件在动力电池系统上的可靠性设计与扭矩研究

黄卫峰　王楠　赵晓军　帅建华

摘 要：紧固件具有拆卸方便、易安装等特点，广泛应用于各行各业。文章主要论述了紧固件在动力电池系统上的拧紧设计，提出了在动力电池系统不同位置的安装注意事项，并对紧固件的拧紧要求进行了细化。通过振动实验，分析紧固件在振动后的扭矩衰减情况，为紧固件在动力电池系统上的可靠性连接，提供了相关依据。

关键词：紧固件;动力电池系统;扭矩

中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-03-02

前言

紧固件常用作了零件間的连接^[1]，其扭矩的大小，决定了零件间的连接强度。紧固件在动力电池系统上应用广泛。比如，电池箱上盖与下箱体间的连接;模组与箱体的固定连接;模组间的连接……在这些栓接部位中，紧固件的松动极可能引起动力电池系统的故障或者失效。所以，提高紧固件在动力电池系统上的可靠性设计是非常关键的。

1 动力电池的拧紧设计

1.1 拧紧的必要性

紧固件在动力电池系统上的拧紧，主要体现在如下几个方面：

（1）能够确保连接的可靠^[2-3]。主要表现为拧紧后的残余扭矩是否满足要求;电池箱与车架间的连接是否可靠;在后期维修过程中是否便于拆卸和更换。

（2）保证电池系统的气密性，使其能够通过IP防护等级测试。一般体现在电池箱上盖与下箱体间的栓接和接插件与箱体的连接。为保证上盖与下箱体的密封性，通常采用泡棉或者打胶的方式辅助密封。

1.2 电池系统性能对紧固件拧紧的要求

对过流能力的要求：当接插件与箱体进行栓接时，一般都会有推荐的扭矩值。若未按照推荐的扭矩值进行拧紧，则会导致接线端子接触不好，产生较大的接触电阻。在通过大电流时，此位置会产生大量的热，有烧坏端子的风险。另外，若所选用的铜排、铝排未用紧固件拧紧，也会大大缩减铜排、铝排的过流能力。

对绝缘能力的要求：电池系统的高压连接部分，对绝缘性能有极高的要求。因此，在拧紧时，需要将一极保护起来，避免造成回路。

对残余扭矩的要求：电池系统所选用的接插件，其所带的密封圈理论上都会有易于扭矩衰减的位置。对于这种弹性材料，一般会通过降低拧紧速度或者使用拧紧---松半圈---拧紧的方式，来保证残余扭矩达到规定要求。

对拧紧顺序的要求：对于电池箱上盖与下箱体之间的连接，因属于大平面接触，需要保证应力分布均匀^[4]。因此，对于大平面件的栓接，通常都会有拧紧顺序要求。

1.3 紧固件在塑料件连接处的拧紧设计

紧固件与塑料间多为软连接，相对载荷较小。

由于塑料的热膨胀程度远高于金属。热膨胀会影响紧固件与塑料件的夹紧力。当温度变化时，塑料会发生蠕变，进而会影响夹紧力。

一般地，可以通过在连接处填充树脂或在螺纹上土防松胶来增强防松性能。对于螺栓的选择，一般会带有平垫片或者大法兰面。

2 振动测试后扭矩值的测量与分析

本文按照GB/T 31467.3的测试要求，分别对两个电池箱做了3小时振动和21小时的振动，来测量扭矩值的变化。本文采用的是M6外六角螺栓，振动前扭矩值为8.5-9.0 N·m。测试结果如下：

测试结果表明，振动3小时后，扭矩衰减到4.5-5.0 N·m;振动21小时后，扭矩衰减到1.5-2.0 N·m。由此可以看出，在高频振动的作用下，容易造成紧固件松动。

因此，通过改进紧固件结构，做好紧固件的防松设计^[5]，对电池系统的后续正常运行，有非常重要的意义。

3 结束语

伴随着新能源市场的发展和电动汽车的普及，动力电池系统紧固件越来越引起设计人员的重视。本文主要论述了紧固件在动力电池系统上的拧紧设计，并通过振动实验，探讨了相应的扭矩衰减情况，为动力电池系统紧固件的防松设计，提供了指导。

参考文献

[1] 顾亦磊，赵美英.复合材料层合板螺栓连接失效分析[J].航空计算技术，2006，36（2）：110-113.

[2] 张国梁.复合材料结构连接技术.北京：国防工业出版社，1991.

[3] Lawlor V P， Mccarthy M A，Stanley W F.An experimental study of bolt hole clearance effects in double-lap， multi-bolt composite joints [J]. Composite structures，2005，71（2）：176-190.

[4] 魏景超.复合材料结构新型紧固件连接强度与失效机理[D].西北工业大学，2014.

[5]《紧固件连接设计手册》编写委员会.《紧固件连接设计手册》第一版.北京：国防工业出版社，1990，3-6.