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        淺談純電動(dòng)汽車電池包自動(dòng)合裝工藝

        2021-12-28 22:43:43劉陽勇
        家園·電力與科技 2021年11期

        劉陽勇

        摘要:乘用車的底盤整體自動(dòng)合裝工藝在總裝工藝中屬于較為重要的部分,也一直是總裝車間自動(dòng)化和節(jié)拍提升的主要瓶頸。就汽車行業(yè)來看,早在數(shù)十年前外資車企就已將此項(xiàng)工藝技術(shù)運(yùn)用到汽車生產(chǎn)制造中。由于在自動(dòng)化、人力節(jié)省及效率提升上存在較大優(yōu)勢(shì),且有利于數(shù)字化工廠建設(shè),整體式自動(dòng)合裝工藝也被越來越多國內(nèi)汽車品牌采用。本文作者簡(jiǎn)要介紹了如何實(shí)現(xiàn)電池包的自動(dòng)合車、孔位對(duì)正及擰緊的高成功率,以滿足高節(jié)拍的生產(chǎn)需求。

        關(guān)鍵詞:純電動(dòng)汽車;自動(dòng)合裝;定位策略

        引言

        為響應(yīng)世界環(huán)保的號(hào)召,解決我國能源與環(huán)保問題,國家863計(jì)劃設(shè)立“節(jié)能與新能源汽車”重大專項(xiàng),其中新能源電池汽車是重要的方向之一,而新能源電池是汽車的核心部件,因此本研究是新能源汽車生產(chǎn)的關(guān)鍵配套技術(shù)設(shè)備,研發(fā)設(shè)計(jì)新型的在線電池合裝設(shè)備具有十分重要的意義。

        1動(dòng)力電池包自動(dòng)合車工藝概述

        動(dòng)力電池包順利進(jìn)行自動(dòng)裝配擰緊的實(shí)現(xiàn)主要分為3個(gè)過程,分別為電池包與車身的結(jié)合、電池包安裝過孔與車身螺母的孔位對(duì)正以及擰緊槍的自動(dòng)擰緊,暫且分別稱之為“合車”、“對(duì)孔”以及“擰緊”,過程分解。

        2新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

        從2008年開始,新能源汽車在國內(nèi)開始嶄露頭角,一直到2020年,經(jīng)過12年的發(fā)展,我國在新能源汽車技術(shù)方面有著非常大的進(jìn)步和發(fā)展。尤其針對(duì)傳統(tǒng)的新能源汽車,主要是指利用高壓電池包作為臨時(shí)儲(chǔ)能的電動(dòng)汽車。在產(chǎn)品種類方面,已經(jīng)由最初的以純電動(dòng)汽車為主的技術(shù)路線,轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗募冸妱?dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車共同發(fā)展的技術(shù)路線。另外,在核心部件方面,如高壓電池和電機(jī)等,從使用性能和安全性能方面也有較大的提升。針對(duì)這一類型的新能源汽車,國內(nèi)已經(jīng)具備了一些非常成熟的零部件和整車的生產(chǎn)企業(yè),并且在產(chǎn)品性能方面,已經(jīng)可以與傳統(tǒng)汽車制造強(qiáng)國相競(jìng)爭(zhēng)。但是對(duì)于新興的新能源汽車,例如燃料電池電動(dòng)汽車。不論是在部件生產(chǎn),還是在整車制造方面,我國都還需要一定時(shí)間的發(fā)展和提升。目前,我國的燃料電池汽車主要應(yīng)用在商用車、公交車和城市客車。原因是這些類型的車輛尺寸較大,便于儲(chǔ)氫瓶和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的布置。對(duì)于乘用汽車,由于生產(chǎn)成本較高,研發(fā)技術(shù)難度較大,因此國內(nèi)還沒有大批量生產(chǎn)和上市的相關(guān)車型。另外,制約燃料電池汽車發(fā)展的另一因素,是關(guān)于加氫站的布局。我國在加氫站的建設(shè)方面,僅有部分城市具有小規(guī)模布局。全國絕大部分城市和地區(qū)都還不具備加氫的能力。

        3電池合裝設(shè)備整體設(shè)計(jì)工藝

        通過對(duì)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電池合裝的特點(diǎn)的研究,總結(jié)設(shè)備工藝技術(shù)要求如下。(1)電池包是高危部件,易燃易爆,必須由電池包放置在電池托盤上隨料車由AGV送到線邊,通過上料輸送輥道實(shí)現(xiàn)帶有電池包托盤輸送上合裝臺(tái)車。(2)由于車體在底盤線體裝配是混裝,有汽油車和電動(dòng)車,首先要對(duì)車體進(jìn)行車輛識(shí)別,只有檢測(cè)到電動(dòng)車體才啟動(dòng)合裝設(shè)備,如產(chǎn)生誤判也不會(huì)產(chǎn)生安全隱患。(3)車體在裝配底盤線上的吊具的擺放位置不唯一性,X、Y方向誤差在±60mm,且主線體勻速隨動(dòng),要求設(shè)計(jì)主線體測(cè)速機(jī)構(gòu),合裝設(shè)備上設(shè)計(jì)編碼器,實(shí)現(xiàn)合裝臺(tái)車在變頻電機(jī)作用下沿軌道X方向與主線體同步隨動(dòng)。(4)Z方向在變頻電機(jī)、絲杠螺母副的作用下,實(shí)現(xiàn)剪叉式升降機(jī)升降功能,在升降機(jī)平臺(tái)面上設(shè)計(jì)雙層浮動(dòng)裝置,實(shí)現(xiàn)電池包在X、Y方向微移動(dòng),消除車體在X、Y方向的放置誤差在±60mm,從而達(dá)到電池包與主線車體的隨行同步,準(zhǔn)確定位,人工憑借系統(tǒng)工具順利連接、緊固螺栓,實(shí)現(xiàn)電池包在裝配底盤線上同步在線合裝到車體上。

        4純電動(dòng)汽車電池包自動(dòng)合裝工藝要點(diǎn)

        4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        在現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)中,運(yùn)用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù),設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池箱體的整體布局和外形結(jié)構(gòu),利用輕量化數(shù)據(jù)庫,對(duì)動(dòng)力電池箱體進(jìn)行工程分析和剛強(qiáng)度計(jì)算,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池箱體的精簡(jiǎn)化、整體化和輕質(zhì)化。通過多目標(biāo)全局優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、逆向工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分塊以及多種輕量化材料的匹配等。由于目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一制定新能源汽車的安全碰撞標(biāo)準(zhǔn)及其他安全指標(biāo),汽車生產(chǎn)企業(yè)在運(yùn)用軟件ANSYS、CATIA等,對(duì)電池箱體的結(jié)構(gòu)剛度、材料疲勞強(qiáng)度進(jìn)行仿真輕量化設(shè)計(jì),需要對(duì)于優(yōu)化后的動(dòng)力電池箱體進(jìn)行安全碰撞分析,進(jìn)而提高汽車的可靠性和安全性。

        4.2對(duì)孔

        電池包與車身通過托盤上的定位銷及托塊進(jìn)行精確定位,保證車身螺母孔與電池包安裝過孔的孔位對(duì)正,從而實(shí)現(xiàn)順利擰緊裝配。從定位銷數(shù)量上來講,托盤的定位方案通常有兩種,第一種為托盤上設(shè)置兩組主副定位銷,以分別獨(dú)立定位白車身與電池包;第二種為托盤上僅布置一組主副定位銷,每個(gè)定位銷同時(shí)定位車身與電池包,即“一銷穿兩孔”。定位策略需根據(jù)實(shí)際情況選取,如若托盤定位銷均可做成固定結(jié)構(gòu),定位銷精度及整體剛度易保證,則建議采用第一種分別獨(dú)立定位的方案;如若托盤需多車型共用,定位銷須做成翻倒銷等非固定結(jié)構(gòu)切換使用,則建議采用第二種“一銷穿兩孔”的定位方案,其原因?yàn)榉逛N等由于受到高度、加工和裝配精度、使用損耗及合裝擠壓等影響,其量產(chǎn)階段精度較難保證,且托盤數(shù)量過多,維護(hù)困難。

        4.4功率階梯劃分

        以加速時(shí)間、最高車速和爬坡度為參考指標(biāo),該指標(biāo)的仿真結(jié)果見表所示。表中電機(jī)功率20kW時(shí),最高車速仍可以達(dá)到110km/h,爬坡度19%,考慮空調(diào)最大消耗功率8kW,將電池包可用放電功率小于等于30kW作為功率不足階段1的起始階段。此時(shí)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和空調(diào)舒適功率同時(shí)需求的情況時(shí),以限制部分空調(diào)功率來滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力需求。電機(jī)功率12kW時(shí),最高車速90km/h,爬坡度11.2%,將電池包可用放電功率小于10kW作為功率不足階段2的起始階段。電池包可用放電功率低于此值時(shí),完全犧牲空調(diào)功率來換取驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力需求已意義不大。

        4.5動(dòng)力電池箱體

        新能源汽車由于其技術(shù)的要求,造成了相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車增重的問題,相對(duì)于國外來說,我國電動(dòng)商用車增重15%-30%,電動(dòng)乘用車增重10%-15%,屬于一般較低水平,因此更需要對(duì)其進(jìn)行輕量化。輕量化是在保證剛強(qiáng)度、模態(tài)和安全性能的前提下,通過現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法盡可能降低重量已達(dá)到輕量化的目的,在性能、減重和成本之間尋求平衡。在電動(dòng)汽車各總成當(dāng)中,動(dòng)力電池系統(tǒng)的重量占據(jù)了整車重量的額30%,過重的動(dòng)力電池包極大的影響了電動(dòng)車的續(xù)航能力。《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》指出,2035年純電動(dòng)乘用汽車輕量化系數(shù)降低35%,同時(shí)將車輛輕量化系數(shù)、載質(zhì)量利用系數(shù)、掛牽比等作用衡量整車輕量化的依據(jù)。

        結(jié)束語

        可拓展高壓電池包類比手機(jī)充電寶,當(dāng)電動(dòng)車電量不足時(shí),車主在沒有時(shí)間等待充電或者沒有充電樁的情況下,可拓展電池包的作用尤為突出,在增加未來新能源車型的續(xù)航里程方面,具有重要客戶價(jià)值,可操作性較高。

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