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新能源汽車電池包的研究與對(duì)策

更新時(shí)間:2017-07-09      點(diǎn)擊次數(shù):2133

1、簡介
近年來,我國的新能源汽車(包括油電混合動(dòng)力汽車、插電混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車等)得到較大發(fā)展,但是各種車型的結(jié)構(gòu)差異較大,與之相匹配的電池包結(jié)構(gòu)也具有明顯差異,使得其在生產(chǎn)線裝配時(shí),因不能兼顧不同車型的裝配策略而產(chǎn)生較大影響。與此同時(shí),電池包是新能源汽車zui為核心的零部件之一,為保證裝配質(zhì)量,裝配過程中需要借助機(jī)械手或自動(dòng)導(dǎo)引小車(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)化不同新能源汽車電池包的裝配策略及定位方案,對(duì)于提高電池包的裝配效率,完善整車生產(chǎn)線的裝配質(zhì)量具有重要意義。
2、新能源汽車常見結(jié)構(gòu)分類
新能源汽車種類較多,包括燃料汽車、甲醇汽車、氫能源汽車、油電混合汽車、插電混合汽車、純電動(dòng)汽車等,其在節(jié)省能源,保護(hù)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、插電混合動(dòng)力汽車及純電動(dòng)汽車,下面對(duì)這3種類型的新能源汽車進(jìn)行介紹。
2.1 油電混合動(dòng)力汽車
油電混合動(dòng)力汽車(Hybrid Electrical Vehicle,簡稱HEV)是指同時(shí)具備兩種動(dòng)力來源——熱動(dòng)力源(汽油機(jī)和油箱)與電動(dòng)力源(電機(jī)和電池包)的汽車。電機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)車輪,而是輔助發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行車輪驅(qū)動(dòng),通過在混合動(dòng)力汽車上使用電機(jī),使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)不同工況(如起步、加速、減速等)由電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng),從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以始終保持在綜合性能*的工況下運(yùn)行,以此實(shí)現(xiàn)油耗的降低與減排。同時(shí),當(dāng)需要進(jìn)行剎車制動(dòng)時(shí),還可以將原本要流失的能量轉(zhuǎn)換為電能,并儲(chǔ)存在電池包內(nèi)。另外,電池包也無需外接電源,只需通過發(fā)動(dòng)機(jī)將其多余的能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池包內(nèi),當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)再次需要電動(dòng)機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)時(shí),電池包內(nèi)的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能傳輸給電機(jī),由電機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車。常見車型有雷克薩斯CT200h、豐田普銳斯、君越Eco Hybrid等。
2.2 插電混合動(dòng)力汽車
插電混合動(dòng)力汽車(Plug-in Hybrid ElectricalVehicle,簡稱PHEV)也是同時(shí)具備兩種動(dòng)力來源——熱動(dòng)力源(汽油機(jī)和油箱)與電動(dòng)力源(電機(jī)和電池包)的汽車,其與油電混合動(dòng)力汽車的主要不同點(diǎn)在于:
a.可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)單獨(dú)直接驅(qū)動(dòng),且相比于油電混合動(dòng)力汽車,其電池包容量更大,可以實(shí)現(xiàn)電池包+電機(jī)的純電動(dòng)工作模式行駛一定里程。
b.車身配有充電插口,電池包可以通過外接電源獲得電能并將其儲(chǔ)存在電池包內(nèi)。兩個(gè)系統(tǒng)既可以同時(shí)協(xié)調(diào)工作,也可以各自單獨(dú)工作驅(qū)動(dòng)汽車,且根據(jù)日常運(yùn)行工況的不同,兩套動(dòng)力系統(tǒng)也需彼此切換互助工作。因需要兼顧兩種動(dòng)力系統(tǒng),其整車零件單元相比汽油車較多,整車布置更為緊湊。
c.根據(jù)工作模式不同,插電混合動(dòng)力汽車可分為串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵谌粘_\(yùn)行中可能需要頻繁切換工作模式,所以其整個(gè)控制系統(tǒng)也較為復(fù)雜,是集成整車技術(shù)的核心之一。目前常見車型有比亞迪秦、榮威550、比亞迪唐、豐田普銳斯等。
2.3 純電動(dòng)汽車
純電動(dòng)汽車(Electrical Vehicle,簡稱EV)具有*、噪音小、運(yùn)行平穩(wěn)及結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn),與以上兩種新能源汽車稍微不同的是,其只有一種動(dòng)力輸出系統(tǒng),即電池包+電機(jī)的動(dòng)力模式驅(qū)動(dòng)整車,電池包通過外接充電插口進(jìn)行電量補(bǔ)充,并且將其儲(chǔ)存在電池包內(nèi),待有需要時(shí),通過電機(jī)控制器進(jìn)行調(diào)控,并由電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出,用以驅(qū)動(dòng)車輪行駛。為了滿足車輛的日常行駛需求,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(xiàn)純電動(dòng)模式行駛較長里程,而若行駛過程中電池包電量耗盡,則車輛無法繼續(xù)行駛。因純電動(dòng)汽車僅有一種動(dòng)力系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,布置空間也較為充足,但是鑒于電池包體積較大,常將其布置在車身地板下方。目前常見車型有特斯拉MODEL S,比亞迪e6、榮威E50、知豆等。
3、新能源汽車常見電池包結(jié)構(gòu)分類不同類型的新能源汽車對(duì)于電池包的需求和定義也不盡相同,因此,各新能源車型所匹配的電池包存在著明顯差別。
3.1 油電混合動(dòng)力汽車電池包
鑒于油電混合動(dòng)力汽車的特點(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(jī)進(jìn)行工作,因此,其電池包相對(duì)體積較小,質(zhì)量也較輕,目前市場上的油電混合動(dòng)力汽車電芯多為鎳氫電池,冷卻系統(tǒng)也相對(duì)簡單,常采用自然通風(fēng)冷卻裝置進(jìn)行冷卻。因其體積不大,車內(nèi)空間基本可以滿足布置需求,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(hù)和檢修,常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油電混合動(dòng)力車電池包
3.2 插電混合動(dòng)力汽車電池包
為了實(shí)現(xiàn)插電混合動(dòng)力汽車所需要的純電動(dòng)工作模式,其所配備的電池包容量稍大,體積也會(huì)相應(yīng)增加,目前各公司的插電混合動(dòng)力汽車所配備的電池包結(jié)構(gòu)稍有不同,有的將其布置在后備箱位置(比亞迪秦,結(jié)構(gòu)類似于混合動(dòng)力汽車),但多數(shù)車型都布置在了地板下方中通道位置。電池包容量的增加,意味著其模組數(shù)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)不能滿足需求,須通過冷卻液進(jìn)行水冷循環(huán)。因插電混合動(dòng)力汽車在實(shí)現(xiàn)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(duì)其增加防護(hù)。目前常見的電池包結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 插電混合動(dòng)力汽車電池包
3.3 純電動(dòng)汽車電池包
因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車的能量都儲(chǔ)存于電池包內(nèi),為了達(dá)到一定的續(xù)航里程,純電動(dòng)汽車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,部分車型電池包的質(zhì)量甚至已經(jīng)達(dá)到了整車質(zhì)量的40%~50%,因此電池包的裝配質(zhì)量對(duì)于純電動(dòng)汽車來說就尤為重要。常見的純電動(dòng)汽車電池包結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 純電動(dòng)汽車電池包
4、電池包裝配方案及定位策略研究
從生產(chǎn)制造方面來說,在當(dāng)前及今后一段時(shí)間內(nèi),需要實(shí)現(xiàn)新能源汽車與傳統(tǒng)燃油汽車的共線生產(chǎn),因此,在考慮電池包的裝配方案時(shí),需首先遵循共線生產(chǎn)這一前提條件。
因?yàn)椴煌男履茉窜囆退鋫涞碾姵匕Y(jié)構(gòu)存在明顯差異,所以,針對(duì)不同的電池包結(jié)構(gòu)應(yīng)該分別采取不同的裝配方案。
4.1 油電混合動(dòng)力汽車電池包裝配方案
如前文所述,油電混合動(dòng)力汽車的電池包多布置在后備箱,則結(jié)合電池包的結(jié)構(gòu),其裝配方式有兩種方案可選:
*種方案為通過輔助機(jī)械手將電池包從左\右后車門送入車內(nèi),旋轉(zhuǎn)后放置到位,再由工人進(jìn)行擰緊操作,如圖4所示。

圖4 機(jī)械手側(cè)門進(jìn)入裝配
在并線生產(chǎn)前提下,通過參考總裝車間生產(chǎn)線的布置信息,此裝配過程需要在zui終線實(shí)現(xiàn),同時(shí),為了避免機(jī)械手移動(dòng)電池包過程中對(duì)車身產(chǎn)生損傷,建議在車門拆卸的狀態(tài)下進(jìn)行,另外,還需要對(duì)車身的B、C立柱增加包覆物以達(dá)到防護(hù)目的。
電池包進(jìn)入車身后,仍需借助機(jī)械手沿向移動(dòng),且因車身內(nèi)空間狹小,操作工人需要將電池包一次性移動(dòng)到位,因此,電池包與車身應(yīng)該有限位裝置,可考慮在安裝支架做限位凸臺(tái)或在車身做限位結(jié)構(gòu),保證電池包在移動(dòng)到位的情況下實(shí)現(xiàn)合理裝配。
對(duì)于電池包的定位方案,建議將定位基準(zhǔn)設(shè)置在前方,即車身內(nèi)方便人員操作的位置,分別設(shè)定主副基準(zhǔn)孔,而在電池包的后方,即后備箱方向,孔位尺寸可以放開,只要能夠?qū)崿F(xiàn)安裝即可。
第二種方案為通過機(jī)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?qū)崿F(xiàn)機(jī)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)電池包過程中,需注意機(jī)械手不能對(duì)后背門產(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身內(nèi)增加限位裝置。
對(duì)于定位方案,與前一種情況較為相似,只是把定位基準(zhǔn)設(shè)置在后備箱位置,便于工人擰緊裝配。綜合來說,此種方案較為合理,可優(yōu)先考慮。
4.2 插電混合動(dòng)力汽車電池包裝配方案
插電混合動(dòng)力汽車為同時(shí)兼顧傳統(tǒng)燃油車零件及新能源零件,布置空間相對(duì)較緊湊,對(duì)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)力汽車情況類似,不再一一贅述。而對(duì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行研討。通過對(duì)比總裝車間生產(chǎn)線的布置形式,混合動(dòng)力車型的電池包裝配只能在底盤線實(shí)現(xiàn),且考慮到大部分車型都為前置前驅(qū)結(jié)構(gòu),而前置的動(dòng)力總成模塊也需要在底盤線完成裝配,并通過高壓線束與電池包連接,因此,其電池包需要在底盤線的前端完成裝配,即在動(dòng)力總成模塊之前完成裝配,并完成相應(yīng)高壓線束的插接。
因其電池包結(jié)構(gòu)不規(guī)則,為保證裝配順利,在電池包被托舉裝配到車身過程中,需要在工裝上增加一主一副定位銷,來保證定位銷與電池包、車身的定位,以此實(shí)現(xiàn)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、車身相應(yīng)位置增加定位孔,以實(shí)現(xiàn)定位銷的定位;需要注意電池包向高度,避免因定位銷過短而使得電池包舉升過程中定位銷不能及時(shí)插入到車身,不能起到定位作用;電池包定位孔應(yīng)設(shè)置在同側(cè),便于工人移動(dòng)電池包放置到工裝上,避免因電池包向較高,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。插電混合動(dòng)力車電池包工裝如圖5所示。

圖5 插電混合動(dòng)力車電池包工裝
4.3 純電動(dòng)汽車電池包裝配方案
純電動(dòng)汽車的電池包體積較大,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身下方,則裝配過程中應(yīng)通過AGV 工裝實(shí)現(xiàn)一次性托舉到位,然后再擰緊其余螺栓的裝配策略。通過對(duì)比總裝車間生產(chǎn)線的布置形式得知,其必須在底盤線完成裝配,鑒于常規(guī)車間底盤線工位的數(shù)量相對(duì)較少,在確定電池包裝配策略之前必須分析所需增加AGV 小車的數(shù)量并明確其運(yùn)行軌跡,同時(shí),因電池包體積較大,還需考慮電池包線旁配送、上件、運(yùn)輸?shù)纫蛩?,避免在搬運(yùn)過程中與周邊物料發(fā)生干涉而影響其裝配方案的實(shí)施。
純電動(dòng)汽車的電池包多被置于車身底部,所覆蓋區(qū)域?yàn)榍皯壹芸偝膳c后懸架總成之間的整個(gè)地板,且其整體結(jié)構(gòu)也多以長方形為主,因此,對(duì)于其特殊的結(jié)構(gòu)形式,若采用一主一副定位銷的定位方案,需使得工裝定位銷向較長(覆蓋電池包高度),同時(shí),對(duì)車身的精度要求較高,如此方案反而會(huì)增加裝配難度。所以,此處建議應(yīng)對(duì)其分別進(jìn)行定位,即工裝與電池包、工裝與車身分別獨(dú)立定位,如圖6所示。

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

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