淺談純電動汽車電池包自動合裝工藝

劉陽勇

摘要：乘用車的底盤整體自動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工藝技術(shù)運用到汽車生產(chǎn)制造中。由于在自動化、人力節(jié)省及效率提升上存在較大優(yōu)勢，且有利于數(shù)字化工廠建設(shè)，整體式自動合裝工藝也被越來越多國內(nèi)汽車品牌采用。本文作者簡要介紹了如何實現(xiàn)電池包的自動合車、孔位對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：純電動汽車;自動合裝;定位策略

引言

為響應(yīng)世界環(huán)保的號召，解決我國能源與環(huán)保問題，國家863計劃設(shè)立“節(jié)能與新能源汽車”重大專項，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)計新型的在線電池合裝設(shè)備具有十分重要的意義。

1動力電池包自動合車工藝概述

動力電池包順利進行自動裝配擰緊的實現(xiàn)主要分為3個過程，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正以及擰緊槍的自動擰緊，暫且分別稱之為“合車”、“對孔”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步和發(fā)展。尤其針對傳統(tǒng)的新能源汽車，主要是指利用高壓電池包作為臨時儲能的電動汽車。在產(chǎn)品種類方面，已經(jīng)由最初的以純電動汽車為主的技術(shù)路線，轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗募冸妱悠嚭突旌蟿恿ζ嚬餐l(fā)展的技術(shù)路線。另外，在核心部件方面，如高壓電池和電機等，從使用性能和安全性能方面也有較大的提升。針對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)汽車制造強國相競爭。但是對于新興的新能源汽車，例如燃料電池電動汽車。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，便于儲氫瓶和燃料電池發(fā)動機的布置。對于乘用汽車，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)計工藝

通過對企業(yè)現(xiàn)場電池合裝的特點的研究，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現(xiàn)帶有電池包托盤輸送上合裝臺車。（2）由于車體在底盤線體裝配是混裝，有汽油車和電動車，首先要對車體進行車輛識別，只有檢測到電動車體才啟動合裝設(shè)備，如產(chǎn)生誤判也不會產(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，要求設(shè)計主線體測速機構(gòu)，合裝設(shè)備上設(shè)計編碼器，實現(xiàn)合裝臺車在變頻電機作用下沿軌道X方向與主線體同步隨動。（4）Z方向在變頻電機、絲杠螺母副的作用下，實現(xiàn)剪叉式升降機升降功能，在升降機平臺面上設(shè)計雙層浮動裝置，實現(xiàn)電池包在X、Y方向微移動，消除車體在X、Y方向的放置誤差在±60mm，從而達到電池包與主線車體的隨行同步，準確定位，人工憑借系統(tǒng)工具順利連接、緊固螺栓，實現(xiàn)電池包在裝配底盤線上同步在線合裝到車體上。

4純電動汽車電池包自動合裝工藝要點

4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)中，運用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)，設(shè)計純電動汽車動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，對動力電池箱體進行工程分析和剛強度計算，實現(xiàn)動力電池箱體的精簡化、整體化和輕質(zhì)化。通過多目標全局優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、逆向工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法，實現(xiàn)動力電池箱體結(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準及其他安全指標，汽車生產(chǎn)企業(yè)在運用軟件ANSYS、CATIA等，對電池箱體的結(jié)構(gòu)剛度、材料疲勞強度進行仿真輕量化設(shè)計，需要對于優(yōu)化后的動力電池箱體進行安全碰撞分析，進而提高汽車的可靠性和安全性。

4.2對孔

電池包與車身通過托盤上的定位銷及托塊進行精確定位，保證車身螺母孔與電池包安裝過孔的孔位對正，從而實現(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，每個定位銷同時定位車身與電池包，即“一銷穿兩孔”。定位策略需根據(jù)實際情況選取，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，其原因為翻倒銷等由于受到高度、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，維護困難。

4.4功率階梯劃分

以加速時間、最高車速和爬坡度為參考指標，該指標的仿真結(jié)果見表所示。表中電機功率20kW時，最高車速仍可以達到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。此時出現(xiàn)驅(qū)動電機和空調(diào)舒適功率同時需求的情況時，以限制部分空調(diào)功率來滿足驅(qū)動電機的動力需求。電機功率12kW時，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，完全犧牲空調(diào)功率來換取驅(qū)動電機的動力需求已意義不大。

4.5動力電池箱體

新能源汽車由于其技術(shù)的要求，造成了相對于傳統(tǒng)燃油車增重的問題，相對于國外來說，我國電動商用車增重15%-30%，電動乘用車增重10%-15%，屬于一般較低水平，因此更需要對其進行輕量化。輕量化是在保證剛強度、模態(tài)和安全性能的前提下，通過現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計方法盡可能降低重量已達到輕量化的目的，在性能、減重和成本之間尋求平衡。在電動汽車各總成當中，動力電池系統(tǒng)的重量占據(jù)了整車重量的額30%，過重的動力電池包極大的影響了電動車的續(xù)航能力?！豆?jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》指出，2035年純電動乘用汽車輕量化系數(shù)降低35%，同時將車輛輕量化系數(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充電寶，當電動車電量不足時，車主在沒有時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，具有重要客戶價值，可操作性較高。

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