新能源汽車(chē)電池包的研究與對策

1、簡(jiǎn)介
近年來(lái)，我國的新能源汽車(chē)（包括油電混合動(dòng)力汽車(chē)、插電混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)等）得到較大發(fā)展，但是各種車(chē)型的結構差異較大，與之相匹配的電池包結構也具有明顯差異，使得其在生產(chǎn)線(xiàn)裝配時(shí)，因不能兼顧不同車(chē)型的裝配策略而產(chǎn)生較大影響。與此同時(shí)，電池包是新能源汽車(chē)zui為核心的零部件之一，為保證裝配質(zhì)量，裝配過(guò)程中需要借助機械手或自動(dòng)導引小車(chē)（AGV）輔助進(jìn)行裝配，也增加了整體的裝配難度，因此，不斷優(yōu)化不同新能源汽車(chē)電池包的裝配策略及定位方案，對于提高電池包的裝配效率，完善整車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)的裝配質(zhì)量具有重要意義。
2、新能源汽車(chē)常見(jiàn)結構分類(lèi)
新能源汽車(chē)種類(lèi)較多，包括燃料汽車(chē)、甲醇汽車(chē)、氫能源汽車(chē)、油電混合汽車(chē)、插電混合汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)等，其在節省能源，保護環(huán)境方面都具有較大優(yōu)勢，但就目前而言，我國在重點(diǎn)推進(jìn)油電混合動(dòng)力汽車(chē)、插電混合動(dòng)力汽車(chē)及純電動(dòng)汽車(chē)，下面對這3種類(lèi)型的新能源汽車(chē)進(jìn)行介紹。
2.1 油電混合動(dòng)力汽車(chē)
油電混合動(dòng)力汽車(chē)（Hybrid Electrical Vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)HEV）是指同時(shí)具備兩種動(dòng)力來(lái)源——熱動(dòng)力源（汽油機和油箱）與電動(dòng)力源（電機和電池包）的汽車(chē)。電機不能直接驅動(dòng)車(chē)輪，而是輔助發(fā)動(dòng)機進(jìn)行車(chē)輪驅動(dòng)，通過(guò)在混合動(dòng)力汽車(chē)上使用電機，使得發(fā)動(dòng)機可以根據不同工況（如起步、加速、減速等）由電機輔助驅動(dòng)，從而使得發(fā)動(dòng)機可以始終保持在綜合性能*的工況下運行，以此實(shí)現油耗的降低與減排。同時(shí)，當需要進(jìn)行剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，還可以將原本要流失的能量轉換為電能，并儲存在電池包內。另外，電池包也無(wú)需外接電源，只需通過(guò)發(fā)動(dòng)機將其多余的能量轉化為電能儲存在電池包內，當發(fā)動(dòng)機再次需要電動(dòng)機輔助驅動(dòng)時(shí)，電池包內的電能轉化為動(dòng)能傳輸給電機，由電機輔助發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)汽車(chē)。常見(jiàn)車(chē)型有雷克薩斯CT200h、豐田普銳斯、君越Eco Hybrid等。
2.2 插電混合動(dòng)力汽車(chē)
插電混合動(dòng)力汽車(chē)（Plug-in Hybrid ElectricalVehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)PHEV）也是同時(shí)具備兩種動(dòng)力來(lái)源——熱動(dòng)力源（汽油機和油箱）與電動(dòng)力源（電機和電池包）的汽車(chē)，其與油電混合動(dòng)力汽車(chē)的主要不同點(diǎn)在于：
a.可以實(shí)現電機單獨直接驅動(dòng)，且相比于油電混合動(dòng)力汽車(chē)，其電池包容量更大，可以實(shí)現電池包+電機的純電動(dòng)工作模式行駛一定里程。
b.車(chē)身配有充電插口，電池包可以通過(guò)外接電源獲得電能并將其儲存在電池包內。兩個(gè)系統既可以同時(shí)協(xié)調工作，也可以各自單獨工作驅動(dòng)汽車(chē)，且根據日常運行工況的不同，兩套動(dòng)力系統也需彼此切換互助工作。因需要兼顧兩種動(dòng)力系統，其整車(chē)零件單元相比汽油車(chē)較多，整車(chē)布置更為緊湊。
c.根據工作模式不同，插電混合動(dòng)力汽車(chē)可分為串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等結構。因為在日常運行中可能需要頻繁切換工作模式，所以其整個(gè)控制系統也較為復雜，是集成整車(chē)技術(shù)的核心之一。目前常見(jiàn)車(chē)型有比亞迪秦、榮威550、比亞迪唐、豐田普銳斯等。
2.3 純電動(dòng)汽車(chē)
純電動(dòng)汽車(chē)（Electrical Vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)EV）具有*、噪音小、運行平穩及結構簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，與以上兩種新能源汽車(chē)稍微不同的是，其只有一種動(dòng)力輸出系統，即電池包+電機的動(dòng)力模式驅動(dòng)整車(chē)，電池包通過(guò)外接充電插口進(jìn)行電量補充，并且將其儲存在電池包內，待有需要時(shí)，通過(guò)電機控制器進(jìn)行調控，并由電機將電能轉換為機械能輸出，用以驅動(dòng)車(chē)輪行駛。為了滿(mǎn)足車(chē)輛的日常行駛需求，其電池包容量要足夠大，且采用能量較高的鋰電池（如磷酸鐵鋰、三元鋰等），以實(shí)現純電動(dòng)模式行駛較長(cháng)里程，而若行駛過(guò)程中電池包電量耗盡，則車(chē)輛無(wú)法繼續行駛。因純電動(dòng)汽車(chē)僅有一種動(dòng)力系統，其結構相對簡(jiǎn)單，布置空間也較為充足，但是鑒于電池包體積較大，常將其布置在車(chē)身地板下方。目前常見(jiàn)車(chē)型有特斯拉MODEL S，比亞迪e6、榮威E50、知豆等。
3、新能源汽車(chē)常見(jiàn)電池包結構分類(lèi)不同類(lèi)型的新能源汽車(chē)對于電池包的需求和定義也不盡相同，因此，各新能源車(chē)型所匹配的電池包存在著(zhù)明顯差別。
3.1 油電混合動(dòng)力汽車(chē)電池包
鑒于油電混合動(dòng)力汽車(chē)的特點(diǎn)，其所配備的電池包僅在起步、加速、制動(dòng)等特殊階段輔助發(fā)動(dòng)機進(jìn)行工作，因此，其電池包相對體積較小，質(zhì)量也較輕，目前市場(chǎng)上的油電混合動(dòng)力汽車(chē)電芯多為鎳氫電池，冷卻系統也相對簡(jiǎn)單，常采用自然通風(fēng)冷卻裝置進(jìn)行冷卻。因其體積不大，車(chē)內空間基本可以滿(mǎn)足布置需求，因此，常將其放置于座椅后面的后備箱位置，有利于生產(chǎn)裝配，同時(shí)也方便日常的維護和檢修，常見(jiàn)結構如圖1所示。

圖1 油電混合動(dòng)力車(chē)電池包
3.2 插電混合動(dòng)力汽車(chē)電池包
為了實(shí)現插電混合動(dòng)力汽車(chē)所需要的純電動(dòng)工作模式，其所配備的電池包容量稍大，體積也會(huì )相應增加，目前各公司的插電混合動(dòng)力汽車(chē)所配備的電池包結構稍有不同，有的將其布置在后備箱位置（比亞迪秦，結構類(lèi)似于混合動(dòng)力汽車(chē)），但多數車(chē)型都布置在了地板下方中通道位置。電池包容量的增加，意味著(zhù)其模組數量、電芯都在增加，因此整個(gè)電池包性能的一致性就顯得尤為重要，所以日常的風(fēng)冷模式已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求，須通過(guò)冷卻液進(jìn)行水冷循環(huán)。因插電混合動(dòng)力汽車(chē)在實(shí)現純電工作模式時(shí)，需要借助高壓電，則布置在地板下方的電池包，需要從涉水、碰撞等安全角度考慮對其增加防護。目前常見(jiàn)的電池包結構如圖2所示。

圖2 插電混合動(dòng)力汽車(chē)電池包
3.3 純電動(dòng)汽車(chē)電池包
因為純電動(dòng)汽車(chē)的能量都儲存于電池包內，為了達到一定的續航里程，純電動(dòng)汽車(chē)的電池包體積都比較龐大，為了拆裝及維修方便，一般都布置在車(chē)身的地板下方，所覆蓋面積為前懸架與后懸架之間，同時(shí)，體積龐大的電池包也使得其質(zhì)量較重，部分車(chē)型電池包的質(zhì)量甚至已經(jīng)達到了整車(chē)質(zhì)量的40%～50%，因此電池包的裝配質(zhì)量對于純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)就尤為重要。常見(jiàn)的純電動(dòng)汽車(chē)電池包結構如圖3所示。

圖3 純電動(dòng)汽車(chē)電池包
4、電池包裝配方案及定位策略研究
從生產(chǎn)制造方面來(lái)說(shuō)，在當前及今后一段時(shí)間內，需要實(shí)現新能源汽車(chē)與傳統燃油汽車(chē)的共線(xiàn)生產(chǎn)，因此，在考慮電池包的裝配方案時(shí)，需首先遵循共線(xiàn)生產(chǎn)這一前提條件。
因為不同的新能源車(chē)型所配備的電池包結構存在明顯差異，所以，針對不同的電池包結構應該分別采取不同的裝配方案。
4.1 油電混合動(dòng)力汽車(chē)電池包裝配方案
如前文所述，油電混合動(dòng)力汽車(chē)的電池包多布置在后備箱，則結合電池包的結構，其裝配方式有兩種方案可選：
*種方案為通過(guò)輔助機械手將電池包從左\右后車(chē)門(mén)送入車(chē)內，旋轉后放置到位，再由工人進(jìn)行擰緊操作，如圖4所示。

圖4 機械手側門(mén)進(jìn)入裝配
在并線(xiàn)生產(chǎn)前提下，通過(guò)參考總裝車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)的布置信息，此裝配過(guò)程需要在zui終線(xiàn)實(shí)現，同時(shí)，為了避免機械手移動(dòng)電池包過(guò)程中對車(chē)身產(chǎn)生損傷，建議在車(chē)門(mén)拆卸的狀態(tài)下進(jìn)行，另外，還需要對車(chē)身的B、C立柱增加包覆物以達到防護目的。
電池包進(jìn)入車(chē)身后，仍需借助機械手沿X 向移動(dòng)，且因車(chē)身內空間狹小，操作工人需要將電池包一次性移動(dòng)到位，因此，電池包與車(chē)身應該有限位裝置，可考慮在安裝支架做限位凸臺或在車(chē)身做限位結構，保證電池包在移動(dòng)到位的情況下實(shí)現合理裝配。
對于電池包的定位方案，建議將定位基準設置在前方，即車(chē)身內方便人員操作的位置，分別設定主副基準孔，而在電池包的后方，即后備箱方向，孔位尺寸可以放開(kāi)，只要能夠實(shí)現安裝即可。
第二種方案為通過(guò)機械手將電池包直接從后備箱方向移動(dòng)到位，此種方式能夠實(shí)現機械手的便捷移動(dòng)和撤回，比前一種方案更方便，只是在移動(dòng)電池包過(guò)程中，需注意機械手不能對后背門(mén)產(chǎn)生磕碰劃傷。為了保證一次性移動(dòng)到位，也同樣需要在電池包與車(chē)身內增加限位裝置。
對于定位方案，與前一種情況較為相似，只是把定位基準設置在后備箱位置，便于工人擰緊裝配。綜合來(lái)說(shuō)，此種方案較為合理，可優(yōu)先考慮。
4.2 插電混合動(dòng)力汽車(chē)電池包裝配方案
插電混合動(dòng)力汽車(chē)為同時(shí)兼顧傳統燃油車(chē)零件及新能源零件，布置空間相對較緊湊，對于將電池包布置在后備箱的情況，其裝配策略及定位方案與油電混合動(dòng)力汽車(chē)情況類(lèi)似，不再一一贅述。而對于布置在地板下方中通道位置的“T”型電池包或“1”字型電池包，雖然稍有差異，但就裝配性而言，可視為一種。此處主要以“T”型電池包結構進(jìn)行研討。通過(guò)對比總裝車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)的布置形式，混合動(dòng)力車(chē)型的電池包裝配只能在底盤(pán)線(xiàn)實(shí)現，且考慮到大部分車(chē)型都為前置前驅結構，而前置的動(dòng)力總成模塊也需要在底盤(pán)線(xiàn)完成裝配，并通過(guò)高壓線(xiàn)束與電池包連接，因此，其電池包需要在底盤(pán)線(xiàn)的前端完成裝配，即在動(dòng)力總成模塊之前完成裝配，并完成相應高壓線(xiàn)束的插接。
因其電池包結構不規則，為保證裝配順利，在電池包被托舉裝配到車(chē)身過(guò)程中，需要在工裝上增加一主一副定位銷(xiāo)，來(lái)保證定位銷(xiāo)與電池包、車(chē)身的定位，以此實(shí)現電池包一次性托舉到位。此種定位方案的實(shí)施需要注意以下方面：需要分別在電池包、車(chē)身相應位置增加定位孔，以實(shí)現定位銷(xiāo)的定位；需要注意電池包Z 向高度，避免因定位銷(xiāo)過(guò)短而使得電池包舉升過(guò)程中定位銷(xiāo)不能及時(shí)插入到車(chē)身，不能起到定位作用；電池包定位孔應設置在同側，便于工人移動(dòng)電池包放置到工裝上，避免因電池包Z 向較高，而使得工人移動(dòng)電池包時(shí)不能同時(shí)兼顧兩個(gè)定位銷(xiāo)。插電混合動(dòng)力車(chē)電池包工裝如圖5所示。

圖5 插電混合動(dòng)力車(chē)電池包工裝
4.3 純電動(dòng)汽車(chē)電池包裝配方案
純電動(dòng)汽車(chē)的電池包體積較大，則裝配時(shí)必須借助AGV輔助進(jìn)行，因電池包直接固定在車(chē)身下方，則裝配過(guò)程中應通過(guò)AGV 工裝實(shí)現一次性托舉到位，然后再擰緊其余螺栓的裝配策略。通過(guò)對比總裝車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)的布置形式得知，其必須在底盤(pán)線(xiàn)完成裝配，鑒于常規車(chē)間底盤(pán)線(xiàn)工位的數量相對較少，在確定電池包裝配策略之前必須分析所需增加AGV 小車(chē)的數量并明確其運行軌跡，同時(shí)，因電池包體積較大，還需考慮電池包線(xiàn)旁配送、上件、運輸等因素，避免在搬運過(guò)程中與周邊物料發(fā)生干涉而影響其裝配方案的實(shí)施。
純電動(dòng)汽車(chē)的電池包多被置于車(chē)身底部，所覆蓋區域為前懸架總成與后懸架總成之間的整個(gè)地板，且其整體結構也多以長(cháng)方形為主，因此，對于其特殊的結構形式，若采用一主一副定位銷(xiāo)的定位方案，需使得工裝定位銷(xiāo)Z 向較長(cháng)（覆蓋電池包高度），同時(shí)，對車(chē)身的精度要求較高，如此方案反而會(huì )增加裝配難度。所以，此處建議應對其分別進(jìn)行定位，即工裝與電池包、工裝與車(chē)身分別獨立定位，如圖6所示。

圖6 純電動(dòng)汽車(chē)電池包工裝
此種方式雖然使得工裝稍微復雜，但是便于裝配，尤其是將電池包開(kāi)箱后吊裝到工裝時(shí)，操作工人只需注意電池的定位孔與定位銷(xiāo)配合即可，同理，工裝在舉升過(guò)程中，操作工人只需注意前方工裝與車(chē)身的定位孔和定位銷(xiāo)配合即可。