电池管理系统(BMS)能够根据传感器获得的电池系统的温度、电压、电流等实时信号进行科学控制，从而保障电池系统的正常运行并能对潜在隐患进行预警，在电动汽车安全、高效、稳定的运行中起着至关重要的作用[1-2]。BMS控制盒作为其核心控制元件，起电池充放电控制、电压控制与保护、电机功率及相位控制等作用，为电池健康状况及安全运行提供保障[3-4]。目前，对于BMS控制盒的研究目前主要集中在均衡功能、集成化、自动控制等方面[5]。目前，BMS控制盒等控制元件已基本采用塑料材料，包括信号控制器、电器控制盒等[6-7]。由于此类控制器外壳产品对于整体结构刚强度、抗冲击、绝缘、阻燃、耐热等要求较高，应用较多的材料为玻纤增强类材料，如玻纤增强聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)等[8]。玻纤增强PBT具有好的抗冲击性能且吸水率较低，在电动汽车的连接器、控制盒等零件中普遍应用[9]。虽然玻璃纤维增强材料的力学性能得到提高，但成型后变形也更大，容易出现更大的形位公差[10]。目前，控制类产品的研究主要集中在外观、整体翘曲变形和主体结构的公差控制上，例如平面度、平整度、缩痕等，而对于其安装可行性及安装稳定性的研究却较少[11-12]。与安装或连接相关的结构包括安装孔、螺丝柱、卡扣，与安装状态直接相关的形位公差如螺丝柱的端面平整度、安装孔的轴线偏移量等。计算机辅助工程(CAE)技术通过仿真软件模拟注塑成型过程，获得翘曲变形和形位公差结果，在指导流道系统设计、工艺参数优化方面发挥重要作用[13-14]。针对工艺参数组合的优化问题，当自变量较多时，基于正交实验设计可以有效降低试验组合数目、提升分析效率，在注塑成型工艺优化中得到广泛应用[15-16]。本实验采用正交试验探究工艺参数对BMS控制盒的螺丝柱端面平整度的影响，并进行模拟和试模验证。1BMS控制盒结构设计图1为某BMS控制盒三维构型。从图1可以看出，控制盒主要由上、下壳体构成，对应图中蓝色和绿色部件，二者通过六个螺丝柱连接。下壳体起支撑、保护和安装作用，内部布置加强筋，周边采用四个螺栓孔进行固定。上壳体主要起装饰和密封作用。上、下壳体之间的连接精度直接影响控制盒整体结构稳定性和密封性能，故对于六个螺丝柱的位置精度有较高要求，特别是端面的平整度。对于此款控制盒，要求螺丝柱端面平整度不能超过0.5 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F001图1BMS控制盒三维构型Fig.1Three-dimensional configuration of BMS control box图2为BMS控制盒主要壁面区域及螺丝柱区域的厚度。从图2可以看出，主壁面的厚度为2.5 mm，主加强筋厚度为1.4 mm，周边四个螺栓孔圆柱面厚度在2.0 mm左右。螺丝柱的圆柱体厚度在0.854~1.504 mm，与螺丝柱直接相连的加强筋厚度约1.0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F002图2BMS控制盒主要壁面区域及螺丝柱区域的厚度Fig.2The thickness of the main wall area and the screw column area of the BMS control box2初始模流分析2.1网格模型采用双面类型进行网格建模，图3为BMS控制盒网格模型。单元总数为77 772，最大纵横比为5.6，匹配率为92.4%，达到计算要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F003图3BMS控制盒网格模型Fig.3Mesh model of BMS control box2.2材料工艺参数注塑材料选用35%玻纤增强PBT，表1为其主要注塑参数。初始工艺为：熔体温度245 ℃，模具温度75 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.T001表1材料参数Tab.1Material parameters参数数值顶出温度180模具温度范围55~95模具表面温度75熔体温度范围235~255熔体温度245转换温度196℃℃2.3流道系统设计图4为基于浇口定位器得到最佳浇口位置。从图4可以看出，蓝色区域表示浇口位置较佳，红色区域代表浇口位置较差。越靠近产品中心的区域，浇口位置较佳，确定的最佳浇口位置如图中圆圈位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F004图4浇口位置分析Fig.4Analysis of gate location图5为单点热流道进胶系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F005图5进胶系统Fig.5Runner system流道系统由圆形热浇口(Φ2~6 mm)、环型热流道(Φ6 mm)及圆形热主流道(Φ3~6 mm)构成。2.4结果分析图6为初始工艺仿真结果。从图6可以看出，中部翘曲变形量较小，边缘翘曲变形量较大，特别是四个安装孔区域。最大变形量为1.404 mm，位于安装孔附近的边角。计算得到6个螺丝柱端面平整度为0.909 7 mm0.5 mm，未达到设计要求，需要进行工艺参数优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F006图6初始工艺仿真结果Fig.6Initial simulation results3正交试验设计与分析该BMS控制盒产品实际注塑成型过程中发现，注射时间(A)、熔体温度(B)、模具温度(C)和冷却时间(D)对其翘曲变形及螺丝柱端面平整度的影响较大。故选择此4个工艺参数设计正交试验，各自变量以等差方式选择3个水平。表2为L9(34)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.T002表2L9（34）正交试验因素水平设计Tab.2L9（34） orthogonal test factor level design水平因素注射时间（A）/s熔体温度（B）/℃模具温度（C）/℃冷却时间（D）/s10.76235551020.86245751530.962559520表3为L9(34)正交试验结果。从表3可以看出，第7组实验的螺丝柱端面平整度最小，为0.467 3 mm。第3组实验的螺丝柱端面平整度最大，为0.914 6 mm。极差大小排序为：RARDRCRB。图7为螺丝柱端面平整度与因素水平关系曲线。从图7可以看出，螺丝柱端面平整度随注射时间A的增大逐渐减小，当注射时间为A3时，平整度最小。平整度随熔体温度B的增大呈现先降低后增大的趋势，熔体温度为B2时，平整度最小。平整度随模具温度C的增大先增大后减小，模具温度为C3时，平整度最小。平整度随冷却时间D的增大先减小后增大，冷却时间为D2时，平整度最小。故平整度最小时最优组合为A3B2C3D2。表4为螺丝柱端面平整度的方差分析。F值排序为：ADCB，对应自变量的影响程度排序。注射时间A的F值F0.01，故注射时间对于平整度具有极显著影响。对于模具温度(C)和冷却时间(D)，F0.05F值F0.01，故模具温度和冷却时间对于平整度具有显著影响。熔体温度B的F值F0.05，故熔体温度对于平整度的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.T003表3L9（34）正交试验结果Tab.3Results of L9（34） orthogonal test序号因素螺丝柱端面平整度/mmABCD111110.8645212320.4855313230.9146421330.4926522210.7461623120.6527731220.4673832130.5236933310.5734k10.75490.60810.68030.7280k20.63050.58510.70930.5352k30.52140.71360.51720.6436R0.23340.12850.19220.192810.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F007图7螺丝柱端面平整度与因素水平关系曲线Fig.7The flatness of the screw column end face vs factor level10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.T004表4螺丝柱端面平整度的方差分析Tab.4Variance analysis of flatness of the screw column end face离差来源偏差平方和/×10-2自由度平均偏差平方和/×10-2F值FaA5.0922.5508.449F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B1.4120.7042.336C2.8021.4004.651D3.2221.6105.340误差2.7190.301总和15.20174验证分析图8为优化工艺分析结果。从图8可以看出，优化工艺下最大翘曲变形为0.630 6 mm，相比初始工艺降低55.1%。6个螺丝柱端面平整度为0.451 7 mm，下降50.3%，达到设计要求。图9为优化工艺下BMS控制盒仿真模拟结果。从图9a可以看出，充填值线间距较均匀，无明显密集区域，说明填充顺畅，无缺胶和明显滞留。从图9b可以看出，流动前沿温度极差为4.4 ℃，较小的温度差保证填充压力的均衡和收缩均匀性，也保证了光泽上的一致性。从图9c可以看出，熔接线主要分布于安装孔区域，外观面上无熔接线，满足外观要求。从图9d可以看出，气穴同样主要分布在四角的安装孔区域，此位置加强排气即可。从图9e可以看出，缩痕主要分布于背部有加强筋的外观面上，但最大缩痕估算值较小，仅为0.052 5 mm，出现明显缩印的可能性较低。从图9f可以看出，锁模力变化较为平顺、最大锁模力为241.6 t，选用相应的中小吨位的注射机台即可。图10为优化工艺试模实际样品。控制盒样品无欠注、烧焦、色差及缩印，外观达标。实测螺丝柱端面平整度达到要求，总成装配正常。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F008图8优化工艺分析结果Fig.8Analysis results of optimization process图9优化工艺下BMS控制盒仿真模拟结果Fig.9Simulation results of BMS control box under optimized process10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F9a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F9a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F9a310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.020.F010图10BMS控制盒实际试模样品Fig.10Mold trial sample of BMS control box5结论基于计算机辅助工程技术对玻纤增强PBT材料的BMS控制盒的注塑成型过程进行模拟，优化了螺丝柱端面平整度进行工艺参数。正交试验分析得到：注射时间有极显著影响，冷却时间和模具温度有显著影响，优化的工艺参数组合为A3B2C3D2。优化工艺下最大翘曲变形量为0.630 6 mm，螺丝柱端面平整度为0.451 7 mm，优化率达到50.3%，并满足要求。试模样品外观及测试结果均合格，验证了优化工艺的可用性。