新能源动力电池包螺栓连接残余扭矩控制：智能残余扭矩扳手应用实践

新能源动力电池包螺栓连接残余扭矩控制：智能残余扭矩扳手应用实践

一、引言

随着新能源汽车产业的快速发展，动力电池包作为整车核心部件，其结构可靠性直接决定了车辆行驶安全与使用寿命。动力电池包由上盖、托盘、模组、BMS系统等多部件通过螺栓连接组装而成，螺栓连接的稳定性是保障电池包整体结构强度、密封性能与绝缘性能的关键。在实际生产装配过程中，螺栓拧紧作业完成后，受到弹性变形、螺纹摩擦、装配顺序、夹紧力松弛等多因素影响，螺栓实际保留的夹紧力往往与设计目标存在偏差，这种偏差主要通过残余扭矩来衡量。残余扭矩是指螺栓拧紧完成后，经过应力松弛、弹性回复等过程后最终剩余的有效扭矩，直接反映了螺栓连接实际夹紧力的大小，残余扭矩过大或过小都会引发严重质量问题：残余扭矩过小会导致夹紧力不足，在车辆行驶过程中受振动载荷影响容易出现螺栓松脱，引发电池包密封失效、模组移位甚至短路起火风险；残余扭矩过大则会导致螺栓预紧力超过材料屈服强度，引发螺栓伸长断裂或者被连接件压溃变形，同样会造成电池包结构失效。

传统残余扭矩控制主要依靠人工使用普通扭矩扳手进行抽检，不仅检测效率低、误差大，还存在数据无法追溯、过程不可控等问题，难以满足新能源汽车大规模量产下的质量管控要求。随着智能制造技术在汽车制造业的渗透，智能残余扭矩扳手开始逐步应用于动力电池包生产过程，实现了残余扭矩检测的数字化、自动化与精准化，为螺栓连接质量管控提供了全新解决方案。本文将结合动力电池包螺栓连接的特点，分析残余扭矩偏差产生的核心原因，阐述智能残余扭矩扳手的技术原理与优势，梳理其在动力电池包生产中的实际应用流程与效果，为新能源汽车动力电池装配质量控制提供实践参考。

二、动力电池包螺栓连接残余扭矩的影响因素与控制要求

2.1 动力电池包螺栓连接的特点

动力电池包的螺栓连接不同于普通机械结构连接，具有连接点多、要求差异化、工况复杂三个核心特点：一是连接点数量多，一款主流的磷酸铁锂软包动力电池包，仅上盖与托盘连接、模组与托盘固定、水冷板安装等环节就需要超过100颗螺栓，部分大尺寸电池包螺栓数量甚至超过200颗，不同位置螺栓设计扭矩从几牛米到几十牛米不等，管控难度大；二是性能要求差异化，密封连接区域的螺栓要求均匀稳定的夹紧力保障IP等级防水要求，模组固定区域螺栓要求足够的残余扭矩抵御长期振动载荷，高压连接器安装螺栓要求严格控制残余扭矩范围避免压坏绝缘件，不同区域对残余扭矩的控制精度要求存在明显差异；三是服役工况复杂，动力电池包安装在车辆底部，行驶过程中长期承受随机振动、温度交变、冲击载荷等作用，螺栓连接会持续发生应力松弛，初始拧紧扭矩会逐步衰减，对初始残余扭矩的一致性提出了更高要求。

2.2 残余扭矩偏差产生的核心原因

在动力电池包装配过程中，造成残余扭矩偏离设计值的原因主要来自五个方面：

· 第一是装配工艺与顺序影响，多螺栓连接装配过程中，后续拧紧的螺栓会造成周边被连接件产生弹性变形，导致已经拧紧完成的螺栓预紧力下降，残余扭矩降低。例如电池包上盖与托盘连接时，如果采用从单边到对边的拧紧顺序，会导致先拧紧的螺栓残余扭矩比后拧紧的低10%-20%，产生明显的一致性偏差。

· 第二是摩擦系数波动影响，螺栓与螺母、螺栓与被连接件接触表面的摩擦系数直接决定了扭矩转化为预紧力的效率，同一批次螺栓表面处理差异、被连接件表面油污或杂质残留，都会造成摩擦系数波动，在相同拧紧扭矩下，最终残余扭矩会出现较大差异。

· 第三是拧紧方法的系统误差，目前动力电池包螺栓拧紧主流采用扭矩法，扭矩法依靠控制拧紧扭矩间接控制预紧力，受到摩擦系数波动的影响，预紧力的离散度本身就较大，完成拧紧后的残余扭矩自然会出现明显偏差，而精度更高的转角法虽然预紧力一致性更好，但依然无法避免应力松弛带来的残余扭矩下降。

· 第四是应力松弛与弹性回复，螺栓拧紧完成后，螺纹连接副的接触表面会产生微观塑性变形，被连接件也会发生应力松弛，导致预紧力逐步下降，最终残余扭矩会比初始拧紧扭矩降低5%-15%，部分非金属密封衬垫的连接结构，应力松弛带来的残余扭矩衰减甚至可以达到30%以上。

· 第五是工具本身的精度误差，传统电动拧紧枪长期使用后会出现标定偏差，拧紧过程中的动态扭矩测量值和实际静态残余扭矩本身就存在差异，进一步放大了残余扭矩的偏差。

2.3 动力电池包残余扭矩控制要求

根据新能源汽车动力电池行业标准以及主流整车厂的质量要求，动力电池包螺栓残余扭矩控制需要满足三个核心要求：第一是精度要求，残余扭矩偏差必须控制在设计值的±10%范围内，关键位置（如模组固定、高压连接）要求控制在±8%以内；第二是一致性要求，同一批次同位置螺栓残余扭矩的离散系数CV值不超过5%，避免出现个别螺栓扭矩不合格引发的系统性风险；第三是可追溯要求，每一颗螺栓的残余扭矩检测数据都需要和电池包SN码绑定，实现全生命周期质量追溯，满足整车质量管控要求。传统人工抽检模式根本无法满足上述要求，必须采用智能化的检测工具实现全检或精准管控。

三、智能残余扭矩扳手的技术原理与核心优势

3.1 技术原理

智能残余扭矩扳手是集成了扭矩传感器、角度传感器、无线传输模块、数据存储模块与处理芯片的智能化扭矩检测工具，针对残余扭矩检测主要采用“再松法"和“再紧法"两种测量原理，其中动力电池包生产领域主流采用“再紧法"测量，具体原理为：在螺栓拧紧完成并经过应力松弛后，用智能扳手沿着拧紧方向缓慢加力，当螺栓刚刚发生转动的瞬间，扳手采集到的扭矩值就是该螺栓的残余扭矩。“再紧法"测量过程中，智能扳手集成的高精度角度传感器可以识别螺栓微小的转动（精度可以达到0.1°），配合精度达到±1%FS的扭矩传感器，可以精准捕捉螺栓启动瞬间的扭矩值，避免人工判断带来的误差。部分智能残余扭矩扳手还集成了自动识别功能，可以通过蓝牙或RFID自动识别当前检测的螺栓位置，自动匹配该位置的设计扭矩上下限，自动判断检测结果是否合格，不需要人工输入参数，进一步降低了操作误差。

测量完成后，智能残余扭矩扳手会将检测数据（包括扭矩值、螺栓位置、检测时间、操作人员编号）通过无线网络实时上传到工厂MES系统，自动和对应电池包的SN码绑定存储，实现数据可追溯，当出现质量问题时可以快速调取每一颗螺栓的检测数据，定位问题根源。

3.2 相比传统检测方式的核心优势

和传统人工使用普通扭矩扳手抽检相比，智能残余扭矩扳手的优势主要体现在四个方面：

· 第一是测量精度高，智能扳手的扭矩传感器精度可以达到±1%，角度传感器可以精准识别螺栓启动转动节点，测量误差比人工检测降低80%以上，满足动力电池包关键螺栓±8%偏差的控制要求。根据某主机厂的对比测试，人工使用普通扭矩扳手测量同一颗螺栓残余扭矩，三次测量结果的最大偏差超过12%，而智能残余扭矩扳手三次测量偏差不到2%，精度提升非常明显。

· 第二是检测效率高，智能扳手支持自动识别螺栓位置、自动判断合格性、自动上传数据，单颗螺栓检测时间从传统人工的15秒左右缩短到3-5秒，对于百颗螺栓级别的电池包，检测总时间从20分钟以上缩短到10分钟以内，可以适配大规模量产的节拍要求。

· 第三是过程可控可追溯，所有检测数据自动上传存储，每一颗螺栓的检测结果都有据可查，不存在人工漏检、假检、数据篡改的风险，符合IATF16949汽车行业质量体系对数据追溯的要求。

· 第四是支持数据分析与过程优化，智能残余扭矩扳手采集的大批量残余扭矩数据可以导入质量分析系统，通过统计过程控制（SPC）分析不同位置、不同批次螺栓残余扭矩的波动规律，找到装配过程中存在的系统性问题，指导装配工艺优化，从源头提升螺栓连接质量，而传统抽检模式获得的数据量少，可信度低，根本无法支撑工艺分析优化。

四、智能残余扭矩扳手在动力电池包生产中的应用实践

4.1 应用场景与检测方案设计

在动力电池包实际生产过程中，根据螺栓位置的重要程度不同，一般采用分级检测方案，结合智能残余扭矩扳手的特点，应用场景主要分为三类：

在某动力电池生产企业的PACK线，针对年产10GWh的产能，共配置了6把智能残余扭矩扳手，其中3把用于级螺栓全检，2把用于B级螺栓抽检，1把作为备用适配不同扭矩量程。智能残余扭矩扳手通过工厂WiFi和MES系统对接，每把扳手都绑定了操作人员工卡，检测数据自动关联人员、时间、设备、批次信息，实现了全要素追溯。

4.2 应用流程梳理

结合动力电池包生产流程，智能残余扭矩扳手的应用流程分为四个环节：

第一环节：产前标定与准备，每天生产开始前，操作人员需要使用标准扭矩仪对智能残余扭矩扳手进行零点校准与精度验证，确认扳手精度偏差在允许范围内，同时通过MES系统下载当日生产电池包型号的螺栓扭矩参数，确保每个螺栓位置的上下限阈值正确，标定数据自动上传留存，避免漏标定不合格工具上线。

第二环节：在线检测，螺栓拧紧工序完成后，操作人员按照工艺要求对对应螺栓进行检测，智能扳手靠近螺栓位置后，通过安装在工位的RFID标签自动识别当前螺栓位置，自动调出对应扭矩阈值，操作人员扳动扳手，当螺栓刚刚启动转动后，扳手自动记录残余扭矩值，立即通过声光提示操作人员检测结果：绿色指示灯代表合格，红色指示灯代表不合格，并在扳手屏幕上显示偏差范围。操作人员只需要按照提示依次完成所有要求检测的螺栓即可，不需要手动记录数据。如果检测不合格，系统会自动记录不合格螺栓位置，操作人员完成所有检测后对不合格螺栓进行返工重新拧紧，返工后再次检测，直到合格为止，不合格产品无法流向下一工序。

第三环节：数据上传与归档，整台电池包所有螺栓检测完成后，操作人员点击确认，所有检测数据自动加密上传到MES系统，和电池包SN码绑定归档，系统自动生成检测合格标识，允许电池包流向下一工序。如果存在未检测的螺栓，系统会自动提示漏检，禁止放行，从流程上杜绝了漏检风险。

第四环节：数据分析与工艺优化，质量部门每周导出智能残余扭矩扳手采集的所有检测数据，采用SPC工具分析不同批次、不同位置螺栓残余扭矩的波动情况，监控过程能力指数Cp/Cpk，当过程能力指数低于1.33时，自动触发工艺分析，查找波动原因。例如该企业通过分析数据发现，电池包上盖某区域螺栓残余扭矩连续三批都偏低，经排查发现是该区域上盖密封垫密度偏大，应力松弛更明显，于是将该区域螺栓初始拧紧扭矩提高5%，调整后残余扭矩合格率从92%提升到100%，解决了批量质量隐患。

4.3 应用效果分析

该动力电池生产企业应用智能残余扭矩扳手前，采用人工抽检模式，螺栓连接残余扭矩不合格率出厂抽检为3.2%，市场售后反馈因螺栓松脱引发的电池包故障PPM值为126；应用智能残余扭矩扳手分级检测方案后，经过半年的运行统计，残余扭矩不合格率出厂抽检下降到0.15%以下，售后因螺栓连接问题引发的故障PPM值下降到8，质量提升效果非常明显。同时，检测过程的人力成本也下降了30%，原来需要2名操作人员完成的检测工作，现在只需要1名操作人员即可完成，而且数据统计分析工作由系统自动完成，不需要人工整理数据，质量部门的数据分析工作量下降了70%以上。此外，因为所有数据都可追溯，当出现市场质量问题时，排查时间从原来的平均3天缩短到2小时，大大提升了质量问题处理效率，降低了售后质量成本。

五、应用过程中的注意事项与优化方向

5.1 应用注意事项

在动力电池包生产中应用智能残余扭矩扳手，需要注意三个核心问题：第一是测量时机的选择，螺栓拧紧完成后，应力松弛会在短时间内快速发生，因此残余扭矩检测需要安排在所有螺栓拧紧完成后5-10分钟进行，给应力松弛留出足够时间，避免测量结果偏高，某企业对比测试发现，拧紧完成后立即测量，残余扭矩比10分钟后测量高6%左右，会导致误判不合格，影响生产效率；第二是操作手法的规范，操作人员加力需要均匀缓慢，避免突然加力导致测量结果偏高，企业需要对操作人员进行规范培训，同时智能扳手可以设置加力速度阈值，加力过快时自动提示重新测量，减少操作误差；第三是定期标定校准，除了每日班前校准，智能残余扭矩扳手需要每月送计量部门进行精度校准，每使用一年更换一次传感器电池，避免因传感器漂移或供电不足引发测量误差。

5.2 未来优化方向

目前智能残余扭矩扳手依然是人工操作的检测工具，未来随着动力电池包装配自动化水平提升，智能残余扭矩检测会朝着两个方向发展：一是和机器人集成，开发自动化残余扭矩检测工作站，由机器人携带智能扭矩传感器自动完成所有螺栓的残余扭矩检测，替代人工，进一步提升检测效率与一致性，适配更高产能的生产要求；二是数据互联互通深度提升，将智能残余扭矩检测数据和拧紧工位的拧紧数据进行关联分析，建立初始拧紧扭矩和残余扭矩的映射模型，通过初始拧紧数据预测残余扭矩，进一步减少检测工作量，同时实现螺栓连接质量的闭环控制。

六、结语

动力电池包螺栓连接残余扭矩控制是保障电池包结构安全的核心环节，传统人工抽检模式已经无法满足新能源汽车大规模量产下的质量管控要求。智能残余扭矩扳手凭借高精度、高效率、可追溯、可分析的优势，通过分级检测方案的设计，可以有效实现残余扭矩的精准控制，大幅降低螺栓连接不合格率，提升动力电池包生产质量，降低售后质量风险。从实际应用效果来看，智能残余扭矩扳手的应用不仅提升了质量管控水平，还降低了生产与管理成本，是智能制造技术在动力电池装配领域的典型应用，具备大规模推广的价值。未来随着自动化与工业互联网技术的进一步发展，智能残余扭矩检测技术会不断*，为新能源汽车动力电池的质量安全提供更坚实的保障。

新能源动力电池包螺栓连接残余扭矩控制：智能残余扭矩扳手应用实践