新能源汽車電池包的研究與對策

1、簡介
近年來，我國的新能源汽車（包括油電混合動力汽車、插電混合動力汽車和純電動汽車等）得到較大發展，但是各種車型的結構差異較大，與之相匹配的電池包結構也具有明顯差異，使得其在生產線裝配時，因不能兼顧不同車型的裝配策略而產生較大影響。與此同時，電池包是新能源汽車zui為核心的零部件之一，為保證裝配質量，裝配過程中需要借助機械手或自動導引小車（AGV）輔助進行裝配，也增加了整體的裝配難度，因此，不斷優化不同新能源汽車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，完善整車生產線的裝配質量具有重要意義。
2、新能源汽車常見結構分類
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、純電動汽車等，其在節省能源，保護環境方面都具有較大優勢，但就目前而言，我國在重點推進油電混合動力汽車、插電混合動力汽車及純電動汽車，下面對這3種類型的新能源汽車進行介紹。
2.1 油電混合動力汽車
油電混合動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，簡稱HEV）是指同時具備兩種動力來源——熱動力源（汽油機和油箱）與電動力源（電機和電池包）的汽車。電機不能直接驅動車輪，而是輔助發動機進行車輪驅動，通過在混合動力汽車上使用電機，使得發動機可以根據不同工況（如起步、加速、減速等）由電機輔助驅動，從而使得發動機可以始終保持在綜合性能*的工況下運行，以此實現油耗的降低與減排。同時，當需要進行剎車制動時，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，電池包也無需外接電源，只需通過發動機將其多余的能量轉化為電能儲存在電池包內，當發動機再次需要電動機輔助驅動時，電池包內的電能轉化為動能傳輸給電機，由電機輔助發動機驅動汽車。常見車型有雷克薩斯CT200h、豐田普銳斯、君越Eco Hybrid等。
2.2 插電混合動力汽車
插電混合動力汽車（Plug-in Hybrid ElectricalVehicle，簡稱PHEV）也是同時具備兩種動力來源——熱動力源（汽油機和油箱）與電動力源（電機和電池包）的汽車，其與油電混合動力汽車的主要不同點在于：
a.可以實現電機單獨直接驅動，且相比于油電混合動力汽車，其電池包容量更大，可以實現電池包+電機的純電動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存在電池包內。兩個系統既可以同時協調工作，也可以各自單獨工作驅動汽車，且根據日常運行工況的不同，兩套動力系統也需彼此切換互助工作。因需要兼顧兩種動力系統，其整車零件單元相比汽油車較多，整車布置更為緊湊。
c.根據工作模式不同，插電混合動力汽車可分為串聯、并聯、混聯等結構。因為在日常運行中可能需要頻繁切換工作模式，所以其整個控制系統也較為復雜，是集成整車技術的核心之一。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 純電動汽車
純電動汽車（Electrical Vehicle，簡稱EV）具有*、噪音小、運行平穩及結構簡單等特點，與以上兩種新能源汽車稍微不同的是，其只有一種動力輸出系統，即電池包+電機的動力模式驅動整車，電池包通過外接充電插口進行電量補充，并且將其儲存在電池包內，待有需要時，通過電機控制器進行調控，并由電機將電能轉換為機械能輸出，用以驅動車輪行駛。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），以實現純電動模式行駛較長里程，而若行駛過程中電池包電量耗盡，則車輛無法繼續行駛。因純電動汽車僅有一種動力系統，其結構相對簡單，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構分類不同類型的新能源汽車對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 油電混合動力汽車電池包
鑒于油電混合動力汽車的特點，其所配備的電池包僅在起步、加速、制動等特殊階段輔助發動機進行工作，因此，其電池包相對體積較小，質量也較輕，目前市場上的油電混合動力汽車電芯多為鎳氫電池，冷卻系統也相對簡單，常采用自然通風冷卻裝置進行冷卻。因其體積不大，車內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，有利于生產裝配，同時也方便日常的維護和檢修，常見結構如圖1所示。

圖1 油電混合動力車電池包
3.2 插電混合動力汽車電池包
為了實現插電混合動力汽車所需要的純電動工作模式，其所配備的電池包容量稍大，體積也會相應增加，目前各公司的插電混合動力汽車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，結構類似于混合動力汽車），但多數車型都布置在了地板下方中通道位置。電池包容量的增加，意味著其模組數量、電芯都在增加，因此整個電池包性能的一致性就顯得尤為重要，所以日常的風冷模式已經不能滿足需求，須通過冷卻液進行水冷循環。因插電混合動力汽車在實現純電工作模式時，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。目前常見的電池包結構如圖2所示。

圖2 插電混合動力汽車電池包
3.3 純電動汽車電池包
因為純電動汽車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，體積龐大的電池包也使得其質量較重，部分車型電池包的質量甚至已經達到了整車質量的40%～50%，因此電池包的裝配質量對于純電動汽車來說就尤為重要。常見的純電動汽車電池包結構如圖3所示。

圖3 純電動汽車電池包
4、電池包裝配方案及定位策略研究
從生產制造方面來說，在當前及今后一段時間內，需要實現新能源汽車與傳統燃油汽車的共線生產，因此，在考慮電池包的裝配方案時，需首先遵循共線生產這一前提條件。
因為不同的新能源車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 油電混合動力汽車電池包裝配方案
如前文所述，油電混合動力汽車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：
*種方案為通過輔助機械手將電池包從左\右后車門送入車內，旋轉后放置到位，再由工人進行擰緊操作，如圖4所示。

圖4 機械手側門進入裝配
在并線生產前提下，通過參考總裝車間生產線的布置信息，此裝配過程需要在zui終線實現，同時，為了避免機械手移動電池包過程中對車身產生損傷，建議在車門拆卸的狀態下進行，另外，還需要對車身的B、C立柱增加包覆物以達到防護目的。
電池包進入車身后，仍需借助機械手沿X 向移動，且因車身內空間狹小，操作工人需要將電池包一次性移動到位，因此，電池包與車身應該有限位裝置，可考慮在安裝支架做限位凸臺或在車身做限位結構，保證電池包在移動到位的情況下實現合理裝配。
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，只要能夠實現安裝即可。
第二種方案為通過機械手將電池包直接從后備箱方向移動到位，此種方式能夠實現機械手的便捷移動和撤回，比前一種方案更方便，只是在移動電池包過程中，需注意機械手不能對后背門產生磕碰劃傷。為了保證一次性移動到位，也同樣需要在電池包與車身內增加限位裝置。
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。綜合來說，此種方案較為合理，可優先考慮。
4.2 插電混合動力汽車電池包裝配方案
插電混合動力汽車為同時兼顧傳統燃油車零件及新能源零件，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力汽車情況類似，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”型電池包結構進行研討。通過對比總裝車間生產線的布置形式，混合動力車型的電池包裝配只能在底盤線實現，且考慮到大部分車型都為前置前驅結構，而前置的動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，即在動力總成模塊之前完成裝配，并完成相應高壓線束的插接。
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，以此實現電池包一次性托舉到位。此種定位方案的實施需要注意以下方面：需要分別在電池包、車身相應位置增加定位孔，以實現定位銷的定位；需要注意電池包Z 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插入到車身，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，而使得工人移動電池包時不能同時兼顧兩個定位銷。插電混合動力車電池包工裝如圖5所示。

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

圖6 純電動汽車電池包工裝
此種方式雖然使得工裝稍微復雜，但是便于裝配，尤其是將電池包開箱后吊裝到工裝時，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。