張華兵　丁余建　李鋒寶

摘? 要：針對(duì)目前電動(dòng)汽車(chē)中使用的高壓電池存在易燃、易爆等問(wèn)題，在進(jìn)行電池輸送線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)如果不規(guī)避這些問(wèn)題會(huì)有很大的風(fēng)險(xiǎn)，所以應(yīng)需從防燃、防爆、消防、安全及環(huán)境保護(hù)等多方面對(duì)電池輸送線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，讓風(fēng)險(xiǎn)變得可控。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；高壓電池；輸送線(xiàn)；設(shè)計(jì)優(yōu)化；安全；環(huán)境保護(hù)

隨著電動(dòng)汽車(chē)普及率越來(lái)越高，高壓電池+電動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿σ讶〈械挠蛙?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車(chē)制造總裝配車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)中原有的發(fā)動(dòng)機(jī)輸送線(xiàn)也就被電池輸送線(xiàn)所取代。目前大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)所使用的能量電池是由一個(gè)個(gè)化學(xué)電池中的液態(tài)鋰離子電池按一定規(guī)則組成的鋰電池包，簡(jiǎn)稱(chēng)鋰電池。鋰電池具有較高的能量密度、很好的循環(huán)壽命、較好的環(huán)保性及低成本等優(yōu)勢(shì)。

但是有著高壓供電系統(tǒng)的化學(xué)鋰電池，簡(jiǎn)稱(chēng)高壓電池。其內(nèi)部卻存在著易短路、材料純度參差不齊、電解液易燃等不可避免的問(wèn)題；其外部也有著密封不好、易進(jìn)水、不耐碰撞等缺陷。因此高壓電池出現(xiàn)過(guò)熱而導(dǎo)致自燃，甚至于爆炸的概率要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)油車(chē)。

由于高壓液體鋰電池本身缺陷，我們?cè)陔姵剌斔途€(xiàn)的規(guī)劃設(shè)計(jì)當(dāng)中就要根據(jù)這些短板，考慮相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方法及措施，規(guī)避可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，防患于未然。

電池輸送線(xiàn)組成

目前電動(dòng)汽車(chē)上的高壓電池輸送由兩部分構(gòu)成，一個(gè)是廠外物流輸送，一個(gè)是廠內(nèi)物流輸送。

廠外物流輸送是走大物流運(yùn)輸，就是把高壓電池從電池配套廠家用卡車(chē)運(yùn)輸?shù)狡?chē)制造車(chē)間。電池的外部輸送流程是：電池生產(chǎn)廠家把按需求把生產(chǎn)出的合格電池裝入電池料框；再按規(guī)定的編號(hào)順序，把電池料框按5～7個(gè)一組進(jìn)行堆垛（見(jiàn)圖1），堆垛好的成垛電池有序裝入卡車(chē)，由卡車(chē)運(yùn)輸?shù)狡?chē)廠的電池輸送線(xiàn)卸貨口。

廠內(nèi)輸送就是采用高壓電池輸送線(xiàn)設(shè)備，也就是本文所討論的內(nèi)容。車(chē)間內(nèi)電池輸送線(xiàn)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要由卸貨平臺(tái)、電池拆堆垛、電池輸送及電池下件等部分組成。電池線(xiàn)主要組成部分如圖2所示。

1）卸貨平臺(tái)主要和電池輸送卡車(chē)對(duì)接，卸貨平臺(tái)設(shè)備負(fù)責(zé)把成垛的電池組從卡車(chē)內(nèi)搬出同時(shí)把取完電池的空料框再送入卡車(chē)。

2）電池拆堆垛主要有以下兩個(gè)功能，一個(gè)是拆垛，拆垛是把卡車(chē)出來(lái)的成垛的電池組進(jìn)行拆分，拆分成單個(gè)電池，這樣便于對(duì)電池進(jìn)行輸送、檢查及問(wèn)題處理。另一個(gè)是堆垛，是把從輸送線(xiàn)出來(lái)的電池空料框進(jìn)行堆垛，堆垛好的空料框再通過(guò)卸貨平臺(tái)以送入卡車(chē)，返回電池生產(chǎn)廠家后重復(fù)利用。

3）電池輸送一般有兩條輸送線(xiàn)組成，一條線(xiàn)負(fù)責(zé)帶料框的滿(mǎn)電池輸送，主要是把電池從卸貨區(qū)送到電池下件點(diǎn)，再由專(zhuān)用設(shè)備把電池和料框分離，電池部分送入組裝區(qū)。取完電池的空料框則通過(guò)另外一條輸送線(xiàn)返回堆垛處后再進(jìn)行堆垛。

4）電池下件，一般布置在組裝區(qū)，主要負(fù)責(zé)把高壓電池從料框中取出后再由相關(guān)設(shè)備送入電池合裝區(qū)與車(chē)身進(jìn)行合裝。

輸送線(xiàn)布局要求

1.無(wú)煙防風(fēng)場(chǎng)所

設(shè)計(jì)高壓電池輸送線(xiàn)布置時(shí)，其選取的位置一定要是在無(wú)煙區(qū)及防風(fēng)區(qū)，作為與卡車(chē)對(duì)接的卸料口也需要增設(shè)電動(dòng)防風(fēng)防火門(mén)，卡車(chē)卸貨時(shí)防火門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，卸料完成后需立即自動(dòng)關(guān)閉。

如果卸貨區(qū)與組裝區(qū)位置較遠(yuǎn)，輸送線(xiàn)搬送的距離過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)與其他設(shè)備共用區(qū)域，不具備以上分隔的條件。那么必須要把卸貨平臺(tái)及電池拆堆垛這兩部分獨(dú)立設(shè)置成一個(gè)單獨(dú)無(wú)煙及防風(fēng)空間，并與輸送部分分隔開(kāi)來(lái)并在分隔點(diǎn)加裝防火門(mén)（見(jiàn)圖3）。因?yàn)閯倧目ㄜ?chē)出來(lái)電池組由于途中運(yùn)輸過(guò)程中的不確定性因素及電池拆垛過(guò)程中出現(xiàn)掉落風(fēng)險(xiǎn)等原因極易出現(xiàn)安全隱患。

在電池線(xiàn)無(wú)煙無(wú)風(fēng)區(qū)，設(shè)計(jì)者需要求消防部門(mén)需加裝煙霧探測(cè)器和煙霧吸收裝置。

無(wú)煙無(wú)風(fēng)區(qū)內(nèi)嚴(yán)禁吸煙。區(qū)內(nèi)嚴(yán)禁提供壓縮空氣以及嚴(yán)禁布置空氣路管路、通風(fēng)系統(tǒng)管路等。以防止管路破損或接口不良造成的氣體泄漏。

相關(guān)電力設(shè)施及電纜的布置盡量遠(yuǎn)離此無(wú)煙無(wú)風(fēng)區(qū)。確實(shí)需要布置則需增加密封等措施，如電線(xiàn)需用防火耐燃電纜；電控柜、接電箱要配備火災(zāi)探測(cè)裝置。并在柜內(nèi)、柜旁配有滅火系統(tǒng)。電池輸送線(xiàn)內(nèi)的電路也需按此要求執(zhí)行。

2.消防及安全撤離通道設(shè)置

在電池輸送線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，電池輸送線(xiàn)的線(xiàn)體旁邊要預(yù)留至少4m寬的消防通道，消防通道盡量考慮消防車(chē)快速進(jìn)出方便，消防通道上不要有死胡同或障礙（比如廠房柱、墻體）阻擋，消防通道出入口處要正對(duì)消防大門(mén)。

滿(mǎn)電池輸送線(xiàn)及空料框返回盡量分開(kāi)布置，設(shè)計(jì)成盡量互不影響的兩條線(xiàn)體。

線(xiàn)體與線(xiàn)體之間必需考慮人能步行的空間，以便出現(xiàn)緊急情況時(shí)人員能快速逃生。

輸送線(xiàn)上每隔一段要增加過(guò)線(xiàn)通道，踏臺(tái)寬度不得小于1m，并且須考慮符合可允許逃生路線(xiàn)的長(zhǎng)度。過(guò)線(xiàn)通道示意如圖4所示。

3.對(duì)高壓電池輸送線(xiàn)進(jìn)行細(xì)分

在設(shè)計(jì)高壓電池輸送線(xiàn)的控制分區(qū)時(shí)，為兼顧生產(chǎn)需求及人員安全，可對(duì)整個(gè)線(xiàn)體進(jìn)行細(xì)分。

（1）電池存放區(qū)及輸送區(qū)? 電池輸送線(xiàn)的存放區(qū)電池?cái)?shù)量較多，安全等級(jí)要高于輸送區(qū)。存放區(qū)消防部門(mén)需加裝煙霧吸收裝置；并設(shè)計(jì)有人工吊裝和叉車(chē)上下件位置；存放區(qū)內(nèi)還需要規(guī)劃應(yīng)急處置區(qū)，處置區(qū)內(nèi)要設(shè)防爆箱等消防用品。

如果電池著火，則伴隨著大量煙霧。煙霧吸收裝置將快速啟動(dòng)，存放區(qū)與輸送區(qū)要設(shè)置防火門(mén)，緊急情況時(shí)要落下，一是防止整個(gè)車(chē)間充滿(mǎn)煙霧，另一個(gè)是保護(hù)輸送區(qū)內(nèi)的電池及設(shè)備不受影響。

電池存放區(qū)人工吊裝及叉車(chē)位置的設(shè)計(jì)以必需方便操作人員能夠取出存放區(qū)內(nèi)任意一塊電池，并及時(shí)把有問(wèn)題的電池快速轉(zhuǎn)移到應(yīng)急處置區(qū)或處置區(qū)內(nèi)防爆箱里為原則。

（2）電池輸送區(qū)與下件區(qū)? 在電池輸送區(qū)內(nèi)需增加電池溫度傳感器及煙霧探測(cè)器。保證進(jìn)入下件區(qū)前的每一塊電池都要進(jìn)行溫度檢測(cè)。煙霧探測(cè)則是對(duì)整個(gè)電池輸送區(qū)進(jìn)行煙霧探測(cè)，以防電池還未進(jìn)行檢測(cè)前出現(xiàn)火災(zāi)。

在輸送區(qū)電池輸送線(xiàn)上方也需設(shè)計(jì)有人工吊裝系統(tǒng)，并每隔10m左右設(shè)置一個(gè)電池臨時(shí)下件口，以便對(duì)在輸送線(xiàn)上的問(wèn)題電池進(jìn)行及時(shí)處理?？樟峡蚍祷剌斔途€(xiàn)則不做要求。

下件區(qū)與輸送區(qū)之間條件允許的情況下也要加裝防火門(mén)，如果沒(méi)有條件，則把下件區(qū)與輸送區(qū)之間用圍避進(jìn)行分隔，如圖5所示，并做好安全警示。

（3）危險(xiǎn)區(qū)及安全區(qū)? 為了不影響總裝車(chē)間其他線(xiàn)體的生產(chǎn)，電池輸送線(xiàn)需界定為危險(xiǎn)區(qū)，四周設(shè)計(jì)圍避保護(hù)，出入口處有要警示標(biāo)識(shí)。其也與電池輸送無(wú)關(guān)的區(qū)域則為安全區(qū)。

輸送線(xiàn)上設(shè)備設(shè)計(jì)原則

1.獨(dú)立原則

輸送線(xiàn)各組成單體設(shè)備的長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)成只容納一套電池料框（堆垛時(shí)為一垛）的存放，每臺(tái)單體設(shè)備有獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)及控制系統(tǒng) 。

設(shè)計(jì)的目的是：防止一臺(tái)設(shè)備上出現(xiàn)兩套電池同時(shí)輸送，造成不必要的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。另外如果有問(wèn)題電池的那臺(tái)設(shè)備停止后，其他設(shè)備上的電池也可在手動(dòng)或半自動(dòng)情況下快速搬離。

如圖6所示，圖中單臺(tái)設(shè)備長(zhǎng)度L需設(shè)計(jì)成只能存放一臺(tái)電池料框的長(zhǎng)度。

電池輸送線(xiàn)屬危險(xiǎn)區(qū)，需采用獨(dú)立供電的方式，當(dāng)危險(xiǎn)區(qū)供電中斷時(shí)，其他區(qū)域供電不受影響。

電池輸送線(xiàn)必需配備兩套獨(dú)立控制系統(tǒng)，當(dāng)電池起火設(shè)備控制斷電后，消防隊(duì)必須能夠手動(dòng)操作電池卸載，且獨(dú)立于自動(dòng)控制。

2.步進(jìn)原則

電池在輸送設(shè)備上進(jìn)行了輸送時(shí)，如果前方一臺(tái)設(shè)備上存放有電池，下一套電池只能在現(xiàn)有設(shè)備上減速停止，其后依此類(lèi)推。一臺(tái)設(shè)備上只能存放一套電池。只有當(dāng)前方設(shè)備上電池搬離后或前方設(shè)備無(wú)電池時(shí)，后續(xù)電池才能繼續(xù)往前搬送。

3.速度可變?cè)瓌t

高壓電池輸送線(xiàn)中單機(jī)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)必需速度可調(diào)節(jié)，采用變頻控制，在保證節(jié)拍生產(chǎn)前提下保持電池輸送時(shí)起、停平穩(wěn)以及防止速度過(guò)快產(chǎn)生沖擊。

在一些特殊場(chǎng)合，單機(jī)設(shè)備速度除了可變外，還需要設(shè)計(jì)成可反向搬送，如調(diào)序及緊急手動(dòng)操作的情況可反向搬離電池。

4.防靜電原則

電池輸送設(shè)備上輸送電池的托輥一般采用鋼制托輥。如為了減少托輥與料框之間摩擦，采用非金屬材料或者對(duì)托輥外表面進(jìn)行包膠處理的話(huà)；則每臺(tái)設(shè)備中也必須備一根托輥是鋼制的，以消除非金屬材料與金屬料框之間產(chǎn)生的靜電對(duì)電池產(chǎn)生不必要的影響。如圖7所示。

5.設(shè)備需帶接液盤(pán)

電池輸送設(shè)備下方要配備接液盤(pán)，在電池起火后會(huì)產(chǎn)生一些電解質(zhì)，這些電解質(zhì)經(jīng)過(guò)消防噴淋系統(tǒng)后會(huì)產(chǎn)生大量有害液體，這些液體必需通過(guò)接液盤(pán)進(jìn)行集中回收，回收后并由消防部門(mén)進(jìn)行處理，以防止對(duì)環(huán)境造成污染。接液盤(pán)設(shè)計(jì)方式可如圖8所示。

輸送線(xiàn)功能設(shè)計(jì)要求

1.唯一性

汽車(chē)總裝配線(xiàn)上所需高壓電池與車(chē)身之間配對(duì)具有唯一性。每一輛車(chē)都有唯一的電池編號(hào)與之對(duì)應(yīng)。主要是因?yàn)檠b配線(xiàn)上各種類(lèi)型汽車(chē)電池容量有所不同；另外相同車(chē)型的話(huà)每一臺(tái)車(chē)也必需有唯一電池編號(hào)與之對(duì)應(yīng)，以防止后期出現(xiàn)問(wèn)題后能追溯到出廠前檢測(cè)的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)。

每一輛卡車(chē)內(nèi)電池編號(hào)都是汽車(chē)生產(chǎn)廠家先期按所生產(chǎn)汽車(chē)型號(hào)編排好編號(hào)后發(fā)給電池生產(chǎn)廠家的唯一認(rèn)證，所以電池輸送線(xiàn)必需具備電池編號(hào)識(shí)別功能。

電池輸送線(xiàn)上的電池編號(hào)識(shí)別功能主要有以下要求：卸貨后，輸送線(xiàn)上應(yīng)先自動(dòng)識(shí)別卡車(chē)的輸送序列，然后再設(shè)置一個(gè)檢查站。檢查站必須包含一個(gè)掃描門(mén)戶(hù)，可單獨(dú)掃描所有的電池。對(duì)電池編號(hào)進(jìn)行自動(dòng)（或手動(dòng)）掃碼，上傳MES系統(tǒng)進(jìn)行確認(rèn)，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要及時(shí)進(jìn)行糾正。

2.自動(dòng)排序功能

上面所講卡車(chē)上電池的順序與生產(chǎn)線(xiàn)中的車(chē)輛順序一一對(duì)應(yīng)，即在任何情況下都必須通過(guò)輸送技術(shù)功能來(lái)確保順序； 在任何情況下都不得有互換（混淆）（即使不是由于操作錯(cuò)誤）。如果出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題，可以增加輸送線(xiàn)自動(dòng)（手動(dòng)）排序功能，以滿(mǎn)足出現(xiàn)問(wèn)題后能自動(dòng)或人工干預(yù)重新排序以減小不必要的損失。

排序功能設(shè)計(jì)可根據(jù)廠家需求在電池輸送線(xiàn)的線(xiàn)體間增加一個(gè)小的可往復(fù)運(yùn)行的循環(huán)線(xiàn)或通過(guò)線(xiàn)體上的手動(dòng)吊裝系統(tǒng)進(jìn)行人工切換。

3.存儲(chǔ)容量要求

設(shè)計(jì)高壓電池輸送線(xiàn)布置時(shí)，為避免增加額外的防火措施，線(xiàn)體上的滿(mǎn)載容量不得超過(guò)工廠車(chē)間內(nèi)一天量的范圍，包括卡車(chē)容量。我們?cè)谠O(shè)計(jì)輸送線(xiàn)節(jié)拍及容量時(shí)必須考慮這一點(diǎn)。當(dāng)然空料框不構(gòu)成增加的火災(zāi)負(fù)荷，不受本原則的約束。

每天的最大生產(chǎn)容量計(jì)算：

生產(chǎn)量=生產(chǎn)節(jié)拍×班次×班時(shí)/開(kāi)動(dòng)率? ? ? ?（1）

式中 生產(chǎn)量——此處是一天的最大生產(chǎn)量，單位為

輛/d；

生產(chǎn)節(jié)拍——每小時(shí)生產(chǎn)汽車(chē)數(shù)量，單位為輛/h；

班次——每天幾班，單位為次；

班時(shí)——每班幾個(gè)小時(shí)，單位為h/次；

開(kāi)動(dòng)率——設(shè)備最大開(kāi)動(dòng)時(shí)間，單位為%。

4.應(yīng)急處置相關(guān)功能

電池輸送線(xiàn)中萬(wàn)一發(fā)生煙霧、火災(zāi)情況下，控制系統(tǒng)要設(shè)計(jì)成可以快速切換到半自動(dòng)/人工模式運(yùn)轉(zhuǎn)模式。在電池輸送線(xiàn)區(qū)沿線(xiàn)體設(shè)計(jì)有多個(gè)緊急停止按鈕，或者采拉繩開(kāi)關(guān)方式（見(jiàn)圖9），一旦有異常，現(xiàn)場(chǎng)人員可隨時(shí)通過(guò)這些緊急停止按鈕切斷輸送線(xiàn)上的用電，并根據(jù)緊急情況切換到相應(yīng)的控制模式。

電池問(wèn)題發(fā)生時(shí)，人員可以通過(guò)設(shè)置在電池輸送線(xiàn)上方的葫蘆系統(tǒng)把問(wèn)題電池快速轉(zhuǎn)移，起吊方式如圖10所示。在設(shè)計(jì)人工起吊裝（KBK葫蘆）系統(tǒng)時(shí)，一套系統(tǒng)中必須配備兩套葫蘆，以防止其中一臺(tái)不能使用時(shí)能夠快速切換到另一臺(tái)使用繼續(xù)，節(jié)約問(wèn)題電池處理時(shí)間。

在卸貨區(qū)，可能存放有還未拆垛的電池組，所以此區(qū)需設(shè)計(jì)留有叉車(chē)上下件的功能區(qū)，輸送設(shè)備上也必須設(shè)計(jì)有適當(dāng)?shù)牟孳?chē)凹槽，以便可以使用叉車(chē)貨叉。

萬(wàn)一發(fā)生故障，操作員用叉車(chē)對(duì)這些電池包進(jìn)行故障排除。如果出現(xiàn)IT故障（如遺漏通告、無(wú)秩序讀取情況等），受影響的電池也可用叉車(chē)送至無(wú)秩序清理站后再加以處理。

在處理高壓電池時(shí)必須滿(mǎn)足特殊的安全標(biāo)準(zhǔn)。最重要的是，不應(yīng)該低估電池的火災(zāi)危險(xiǎn)。萬(wàn)一出現(xiàn)過(guò)熱和易燃的情況，可使用叉車(chē)盡快從成垛的電池中無(wú)秩序取出電池。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在總裝配車(chē)間電池輸送線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要克服高壓電池存的短板，做好防撞、防燃、防爆、消防安全、環(huán)保等一系列的安全防范措施，最大限度降低高壓電池自燃風(fēng)險(xiǎn)。這些設(shè)計(jì)理念都必須滿(mǎn)足的且必須要考慮的，如不遵守將直接導(dǎo)致輸送線(xiàn)技術(shù)不合格。

參考文獻(xiàn)

[1] 羨學(xué)磊，董海斌，張少禹.三元鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э丶盎馂?zāi)特性研究 [J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2020（1）：239-248.

[2] 孫旭東.車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池?zé)帷姙E用下熱失控特性研究 [D].江蘇大學(xué)，2020.

[3] 叢曼，李之晨.探討汽車(chē)制造總裝車(chē)間如何選用生產(chǎn)線(xiàn)輸送設(shè)備[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（16）：160.

[4] 李永冠.淺析汽車(chē)制造總裝車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)輸送設(shè)備 [J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016（26）：59，61.