徐　昱，蔣燕萍，鄭正仙，張鵬飛，徐燁玲

（1．國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州　310009；2．杭州大有科技發(fā)展有限公司，杭州　310052）

0　引言

電動(dòng)汽車使用蓄電池作為動(dòng)力來源，運(yùn)行過程沒有尾氣排放，且噪聲小、能源轉(zhuǎn)化率高，與傳統(tǒng)汽車相比，具有突出的環(huán)保優(yōu)勢(shì)[1-2]。而蓄電池作為電動(dòng)汽車的主要能量載體和動(dòng)力來源，其運(yùn)行安全性直接關(guān)系乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全，也是提高電動(dòng)汽車市場(chǎng)化和商業(yè)化的關(guān)鍵因素之一[3-6]。

北京、杭州、深圳等地較早將電動(dòng)汽車投入到出租車運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)中[7-8]。國(guó)網(wǎng)杭州供電公司運(yùn)營(yíng)的電動(dòng)出租車采用換電模式：在充換電站內(nèi)將動(dòng)力電池充滿，然后采用換電設(shè)備將動(dòng)力電池?fù)Q到電動(dòng)汽車上，以解決車輛續(xù)航里程短的問題；另外，動(dòng)力電池經(jīng)一定使用次數(shù)后，根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行維護(hù)。換電模式的電動(dòng)汽車還參與了國(guó)家電網(wǎng)公司蘇滬杭城際互聯(lián)工程[9-10]。

以下從某例維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池電芯極耳斷裂等現(xiàn)象出發(fā)，分析了其中的幾個(gè)主要原因，并有針對(duì)性地提出解決措施。這些措施有效地提升了杭州換電型電動(dòng)汽車動(dòng)力電池使用的可靠性。

1　某例動(dòng)力電池電芯極耳斷裂分析

在維護(hù)過程中，充換電設(shè)施運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)所維護(hù)的某箱動(dòng)力電池有電芯極耳斷裂的現(xiàn)象，還伴隨著電池箱體變形、導(dǎo)向柱彎曲等特點(diǎn)。此種電池如果后期繼續(xù)使用，將嚴(yán)重危害車輛和人員的安全，所以對(duì)電池故障進(jìn)行分析顯得非常重要。

1.1　動(dòng)力電池箱體強(qiáng)度

隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，對(duì)電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池制造技術(shù)要求也越來越高，動(dòng)力電池箱作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池電芯主要承載裝置，其設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響動(dòng)力電池的壽命和續(xù)航性能[11-13]。

電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池在行駛過程中，受到來自路面的隨機(jī)顛簸外力，其箱體結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度和剛度以保證其疲勞壽命和保證其裝配與使用要求，進(jìn)而保證電池箱在車輛行駛時(shí)不會(huì)因反復(fù)間隙碰撞而發(fā)生形變，箱體一旦形變，內(nèi)部電芯受到相應(yīng)的擠壓，形成應(yīng)力集中進(jìn)而影響電池一致性和電池使用壽命。除了應(yīng)有的機(jī)械強(qiáng)度，電池箱體必須滿足專用電氣箱體設(shè)備外部防護(hù)等級(jí)的設(shè)計(jì)要求，起到防塵、防水，保證電芯穩(wěn)定運(yùn)行。

舊電池箱整體采用金屬鋁板材，內(nèi)部只有少量玻璃化布板，中間沒有縱向隔板，因此，防撞能力有限。在經(jīng)過電池箱撞擊試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該電池箱在經(jīng)過反復(fù)多次撞擊之后，橫向隔板都有不同程度的變形，甚至有的隔板已經(jīng)脫開焊點(diǎn)，嚴(yán)重影響降低了電池箱體對(duì)電池包防護(hù)性能。由此可見，在電池隨車顛簸的情況下，舊電池箱存在安全隱患，電池箱的整體防護(hù)等級(jí)需要進(jìn)一步提高。

1.2　人工換電作業(yè)

電池在換電模式下，需要人工對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行更換。在杭州，換電型電動(dòng)汽車換電過程如下：工作人員先將滿電電池從電池充電架上取下放于移栽車的托盤上，通過移栽車行駛到需要換電的電動(dòng)汽車后備箱附近，再將待充電池從電動(dòng)汽車后座下面的電池總成架內(nèi)拉出放入另一輛移栽車托盤上，最后將滿電電池推入電池總成架內(nèi)。由于電動(dòng)汽車電池艙與車底座有22°斜坡，通過人力很難控制電池自由下滑速度，將重約65 kg電池推入電池總成架內(nèi)時(shí)，離電池插入接插口還有一段距離，電池由于重力下滑產(chǎn)生一定的沖擊力，對(duì)電池總成架內(nèi)接插件造成撞擊，反復(fù)多次后極易導(dǎo)致電池導(dǎo)向柱彎曲變形，發(fā)生拉弧現(xiàn)象，電池箱內(nèi)的電芯也承受了撞擊應(yīng)力。另外，電池搬運(yùn)需要工作人員用手直接在電池箱體上進(jìn)行接觸操作，在這過程中存在較大的安全隱患。

1.3　電動(dòng)汽車運(yùn)行過程

由于電動(dòng)汽車在行駛過程中會(huì)有較大的振動(dòng)、沖擊，這對(duì)電動(dòng)汽車內(nèi)部的設(shè)備、元件都提出了較高的要求，特別是作為電動(dòng)汽車動(dòng)力的電池，由于快換模式的電池箱體不是完全固定在電動(dòng)汽車上，因此，電動(dòng)汽車電池位置穩(wěn)定性對(duì)供電的可靠性有著重要作用。但在現(xiàn)有技術(shù)中，電池箱與供電端口直接連接，在汽車車身振動(dòng)下，電池箱與供電端口的連接會(huì)不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致運(yùn)行過程中動(dòng)力突然中斷，發(fā)生事故。這主要是因?yàn)槠囋诩鞭D(zhuǎn)和顛簸時(shí)，電池箱突然受到猛烈振動(dòng)，車載接插件接口與電池箱插頭相對(duì)位移過大甚至脫離，導(dǎo)致電池拉弧或動(dòng)力中斷。

2　采取的主要措施

通過對(duì)以上3個(gè)方面的分析和考慮，為保證電池安全使用，制定了以下措施。

2.1　動(dòng)力電池箱強(qiáng)化

新型電動(dòng)汽車動(dòng)力電池箱是在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上作優(yōu)化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)以提升電池箱的強(qiáng)度，使電池箱給電芯提供牢固的保護(hù)和支持，防止電芯因位移過大而影響極耳連接，發(fā)生安全事故。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示[14]。

圖1　改進(jìn)后動(dòng)力電池箱體結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的動(dòng)力電池箱體仍由箱體上蓋、箱體、拉手、隔板、壓板等主要部分組成。電池箱尺寸仍然不變，箱體主體材料采用304不銹鋼，替代原鋁合金材質(zhì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增加了304不銹鋼材質(zhì)的橫向和縱向隔板，以提升箱體防撞能力。將電芯裝入箱體后，為緊固電芯，設(shè)計(jì)中采用了電芯壓板，壓板采用阻燃ABS加玻纖的方式，既提高了阻燃等級(jí)，又能夠保證其硬度，不會(huì)由于電芯振動(dòng)導(dǎo)致壓板拱起，能夠極大的減弱電池振動(dòng)時(shí)電芯之間連接的應(yīng)力。

原電池箱靠近插頭部分只有1塊1.5 mm厚鋁板，作為固定電池管理系統(tǒng)使用，當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí)，該鋁板不能有效地阻止后面電芯的沖擊，導(dǎo)致鋁板脫焊。加強(qiáng)型電池箱設(shè)計(jì)時(shí)，在接插件與擋板的空余處增加1塊3 mm厚高強(qiáng)度U型板，以達(dá)到承載后部的沖擊力作用。在電池向接插件方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電池箱體對(duì)U型板有一作用力，從而U型板對(duì)電池隔板也有一個(gè)作用力，這個(gè)力與電池對(duì)隔板的作用力方向相反，所以在一定程度上抵消部分作用力，使電池橫向隔板受力減小。該高強(qiáng)度U型板受力分析情況如圖2所示。

圖2　高強(qiáng)度U型擋板受力分析

為驗(yàn)證電池箱強(qiáng)度提升效果，模擬換電作業(yè)工況，設(shè)計(jì)電池沖擊試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示[15]。

圖3　電池沖擊試驗(yàn)臺(tái)的側(cè)視結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)包括弧形調(diào)位支架、行程支架、提升裝置、電控箱、離合器和連接繩索等。通過轉(zhuǎn)動(dòng)行程支架和調(diào)節(jié)行程開關(guān)調(diào)節(jié)與水平面夾角，控制機(jī)構(gòu)內(nèi)PLC（可編程邏輯控制器）控制電動(dòng)機(jī)拉起電池，當(dāng)行程支架觸發(fā)限位開關(guān)時(shí)停止動(dòng)作，再利用電離合器瞬間脫開電池，使電池沿斜面自由滑落，模擬電動(dòng)汽車換電池動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的沖擊試驗(yàn)。

首先使用某新型電池箱體進(jìn)行試驗(yàn)，每碰撞50次進(jìn)行人工觀察、拍照方式記錄測(cè)試結(jié)果，經(jīng)過1天的試驗(yàn)，碰撞次數(shù)達(dá)到1 000次，將電池箱體拆開后觀察箱體內(nèi)隔板等材料，隔板有輕微變形，電池箱體達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而后將同樣配重物放入對(duì)應(yīng)原電池箱隔板倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行同樣測(cè)試，在第1個(gè)50次碰撞后，箱體隔板已發(fā)生了嚴(yán)重的形變，后又進(jìn)行了20次碰撞，箱體內(nèi)部隔板變形嚴(yán)重，停止繼續(xù)測(cè)試。由此可見通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，電池箱體防撞能力得到顯著提升。

2.2　電池揀選機(jī)研發(fā)

由于重力作用，一箱質(zhì)量約65 kg的動(dòng)力電池將以一定加速度沿電池艙斜面下滑，最后造成對(duì)車輛和接插件的正面撞擊。為減少電池?fù)Q電時(shí)接插件的撞擊和提升人員換電安全性，設(shè)計(jì)了一種能控制電池箱勻速下滑的換電設(shè)備，叫做電池揀選機(jī)，它通過電機(jī)控制電池拉手，平衡電池下滑分力，從而有效減少電池對(duì)電池總成架的撞擊作用力。電池揀選機(jī)外觀結(jié)構(gòu)如圖4所示[16]。

圖4　電池揀選機(jī)

電池揀選機(jī)主要包括安全裝置、行駛驅(qū)動(dòng)部件、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、操作和顯示元件、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及相關(guān)機(jī)械部件，具有安全可靠、簡(jiǎn)單易學(xué)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)需對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行換電時(shí)，先由電池揀選機(jī)的電池拉手與電池箱的扣手卡合，將電池從電池充電架上取下，放于托盤上。然后由工作人員駕駛電池揀選機(jī)至待換電的電動(dòng)汽車旁，通過調(diào)節(jié)俯仰裝置角度，將電池托盤與電動(dòng)汽車電池艙體對(duì)齊，方便電池拉手將電池推至車內(nèi)電池艙位。

電池揀選機(jī)不但適用于電池搬運(yùn)和揀選，也可以完成動(dòng)力電池的堆垛與卸垛工作，另外通過俯仰組件調(diào)節(jié)托盤傾斜角，使得電池揀選機(jī)不僅適用于水平安裝的電池取放，還適用于傾斜安裝的電池取放。1輛電池揀選機(jī)設(shè)計(jì)有4個(gè)電池拉手，可以同時(shí)完成4節(jié)電池的換電工作。僅該步驟與人工換電相比就減少75%的換電工時(shí)，在保障人員安全的同時(shí)大大提高換電工作效率。

2.3　電池總成架改進(jìn)

車輛在行駛途中不可避免會(huì)出現(xiàn)上下顛簸，電池箱體在動(dòng)力艙內(nèi)亦會(huì)隨之上下振動(dòng)。為了降低電池振動(dòng)幅度，防止電池在猛烈振動(dòng)情況下從電池艙內(nèi)滑出，在電動(dòng)汽車后備箱內(nèi)設(shè)置電池總成架，用于放置車載電池組。原電池總成架的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　原電池總成架

原電池總成架主要由電池限位隔板、鎖緊機(jī)構(gòu)和滾軸等部件組成。側(cè)板和隔板未安裝滾軸，只在底板安裝普通滾軸。

為降低電池箱在艙內(nèi)的磨損，對(duì)原電池總成架進(jìn)行了倉(cāng)內(nèi)防磨損化技術(shù)處理：電池總成架末端設(shè)置緩沖塊，隔板和側(cè)板上安裝滾軸，底板上的普通滾軸換成阻尼滾軸等。新結(jié)構(gòu)電池總成架如圖6所示[17]。

緩沖塊由聚氨酯等材料制成，具有一定彈性和耐磨功能，可以起到減振緩沖作用，通過緩沖塊電池箱到達(dá)背板時(shí)的沖擊力小很多。側(cè)面滾軸表面涂覆緩沖層，電池在滾軸上滑動(dòng)時(shí)，瞬間沖量所造成的沖擊大部分將會(huì)被緩沖層吸收，從而大幅減少滾軸對(duì)電池側(cè)表面的磨損，提高了電池的使用壽命，延長(zhǎng)了更換周期。當(dāng)電池箱經(jīng)過阻尼滾軸時(shí)，由于滾軸的單向軸承性，阻尼則開始作用電池箱，通過阻尼軸承內(nèi)的內(nèi)軸和外軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠有效阻礙電池的下滑行程，從而使電池從電池總成架內(nèi)滑動(dòng)的時(shí)候，速度不至于過快，避免造成意外損害。另外，通過總成架底板、側(cè)板、隔板和頂板來限制電池的自由度，通過壓桿緊壓電池，使其無法脫離，保證電池與供電端口的連接穩(wěn)定。

圖6　新結(jié)構(gòu)電池總成架

3　結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車的電池安全性一直是市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)，而換電型電動(dòng)汽車的安全還涉及人工換電環(huán)節(jié)，所以需要全方位考慮才能保證動(dòng)力電池的使用安全性。在此提出對(duì)動(dòng)力電池箱內(nèi)部、換電設(shè)備以及電池總成架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得電池箱體不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期使用發(fā)生內(nèi)/外部形態(tài)變化，保證電池安全。以上優(yōu)化方案均得到應(yīng)用：由電池組裝單位對(duì)電池箱進(jìn)行了強(qiáng)化后重組，電動(dòng)出租車運(yùn)營(yíng)單位對(duì)研發(fā)的勻速換電設(shè)備進(jìn)行了試用，電動(dòng)出租車生產(chǎn)單位則對(duì)電池總成架進(jìn)行了全面的升級(jí)。從后期的電池維護(hù)情況來看，電池使用可靠性得到明顯提升，電動(dòng)汽車的安全性得到加強(qiáng)。