新能源汽车电池包的研究与对策

1、简介
近年来，我国的新能源汽车（包括油电混合动力汽车、插电混合动力汽车和纯电动汽车等）得到较大发展，但是各种车型的结构差异较大，与之相匹配的电池包结构也具有明显差异，使得其在生产线装配时，因不能兼顾不同车型的装配策略而产生较大影响。与此同时，电池包是新能源汽车zui为核心的零部件之一，为保证装配质量，装配过程中需要借助机械手或自动导引小车（AGV）辅助进行装配，也增加了整体的装配难度，因此，不断优化不同新能源汽车电池包的装配策略及定位方案，对于提高电池包的装配效率，完善整车生产线的装配质量具有重要意义。
2、新能源汽车常见结构分类
新能源汽车种类较多，包括燃料汽车、甲醇汽车、氢能源汽车、油电混合汽车、插电混合汽车、纯电动汽车等，其在节省能源，保护环境方面都具有较大优势，但就目前而言，我国在重点推进油电混合动力汽车、插电混合动力汽车及纯电动汽车，下面对这3种类型的新能源汽车进行介绍。
2.1 油电混合动力汽车
油电混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，简称HEV）是指同时具备两种动力来源——热动力源（汽油机和油箱）与电动力源（电机和电池包）的汽车。电机不能直接驱动车轮，而是辅助发动机进行车轮驱动，通过在混合动力汽车上使用电机，使得发动机可以根据不同工况（如起步、加速、减速等）由电机辅助驱动，从而使得发动机可以始终保持在综合性能*的工况下运行，以此实现油耗的降低与减排。同时，当需要进行刹车制动时，还可以将原本要流失的能量转换为电能，并储存在电池包内。另外，电池包也无需外接电源，只需通过发动机将其多余的能量转化为电能储存在电池包内，当发动机再次需要电动机辅助驱动时，电池包内的电能转化为动能传输给电机，由电机辅助发动机驱动汽车。常见车型有雷克萨斯CT200h、丰田普锐斯、君越Eco Hybrid等。
2.2 插电混合动力汽车
插电混合动力汽车（Plug-in Hybrid ElectricalVehicle，简称PHEV）也是同时具备两种动力来源——热动力源（汽油机和油箱）与电动力源（电机和电池包）的汽车，其与油电混合动力汽车的主要不同点在于：
a.可以实现电机单独直接驱动，且相比于油电混合动力汽车，其电池包容量更大，可以实现电池包+电机的纯电动工作模式行驶一定里程。
b.车身配有充电插口，电池包可以通过外接电源获得电能并将其储存在电池包内。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车，且根据日常运行工况的不同，两套动力系统也需彼此切换互助工作。因需要兼顾两种动力系统，其整车零件单元相比汽油车较多，整车布置更为紧凑。
c.根据工作模式不同，插电混合动力汽车可分为串联、并联、混联等结构。因为在日常运行中可能需要频繁切换工作模式，所以其整个控制系统也较为复杂，是集成整车技术的核心之一。目前常见车型有比亚迪秦、荣威550、比亚迪唐、丰田普锐斯等。
2.3 纯电动汽车
纯电动汽车（Electrical Vehicle，简称EV）具有*、噪音小、运行平稳及结构简单等特点，与以上两种新能源汽车稍微不同的是，其只有一种动力输出系统，即电池包+电机的动力模式驱动整车，电池包通过外接充电插口进行电量补充，并且将其储存在电池包内，待有需要时，通过电机控制器进行调控，并由电机将电能转换为机械能输出，用以驱动车轮行驶。为了满足车辆的日常行驶需求，其电池包容量要足够大，且采用能量较高的锂电池（如磷酸铁锂、三元锂等），以实现纯电动模式行驶较长里程，而若行驶过程中电池包电量耗尽，则车辆无法继续行驶。因纯电动汽车仅有一种动力系统，其结构相对简单，布置空间也较为充足，但是鉴于电池包体积较大，常将其布置在车身地板下方。目前常见车型有特斯拉MODEL S，比亚迪e6、荣威E50、知豆等。
3、新能源汽车常见电池包结构分类不同类型的新能源汽车对于电池包的需求和定义也不尽相同，因此，各新能源车型所匹配的电池包存在着明显差别。
3.1 油电混合动力汽车电池包
鉴于油电混合动力汽车的特点，其所配备的电池包仅在起步、加速、制动等特殊阶段辅助发动机进行工作，因此，其电池包相对体积较小，质量也较轻，目前市场上的油电混合动力汽车电芯多为镍氢电池，冷却系统也相对简单，常采用自然通风冷却装置进行冷却。因其体积不大，车内空间基本可以满足布置需求，因此，常将其放置于座椅后面的后备箱位置，有利于生产装配，同时也方便日常的维护和检修，常见结构如图1所示。

图1 油电混合动力车电池包
3.2 插电混合动力汽车电池包
为了实现插电混合动力汽车所需要的纯电动工作模式，其所配备的电池包容量稍大，体积也会相应增加，目前各公司的插电混合动力汽车所配备的电池包结构稍有不同，有的将其布置在后备箱位置（比亚迪秦，结构类似于混合动力汽车），但多数车型都布置在了地板下方中通道位置。电池包容量的增加，意味着其模组数量、电芯都在增加，因此整个电池包性能的一致性就显得尤为重要，所以日常的风冷模式已经不能满足需求，须通过冷却液进行水冷循环。因插电混合动力汽车在实现纯电工作模式时，需要借助高压电，则布置在地板下方的电池包，需要从涉水、碰撞等安全角度考虑对其增加防护。目前常见的电池包结构如图2所示。

图2 插电混合动力汽车电池包
3.3 纯电动汽车电池包
因为纯电动汽车的能量都储存于电池包内，为了达到一定的续航里程，纯电动汽车的电池包体积都比较庞大，为了拆装及维修方便，一般都布置在车身的地板下方，所覆盖面积为前悬架与后悬架之间，同时，体积庞大的电池包也使得其质量较重，部分车型电池包的质量甚至已经达到了整车质量的40%～50%，因此电池包的装配质量对于纯电动汽车来说就尤为重要。常见的纯电动汽车电池包结构如图3所示。

图3 纯电动汽车电池包
4、电池包装配方案及定位策略研究
从生产制造方面来说，在当前及今后一段时间内，需要实现新能源汽车与传统燃油汽车的共线生产，因此，在考虑电池包的装配方案时，需首先遵循共线生产这一前提条件。
因为不同的新能源车型所配备的电池包结构存在明显差异，所以，针对不同的电池包结构应该分别采取不同的装配方案。
4.1 油电混合动力汽车电池包装配方案
如前文所述，油电混合动力汽车的电池包多布置在后备箱，则结合电池包的结构，其装配方式有两种方案可选：
*种方案为通过辅助机械手将电池包从左\右后车门送入车内，旋转后放置到位，再由工人进行拧紧操作，如图4所示。

图4 机械手侧门进入装配
在并线生产前提下，通过参考总装车间生产线的布置信息，此装配过程需要在zui终线实现，同时，为了避免机械手移动电池包过程中对车身产生损伤，建议在车门拆卸的状态下进行，另外，还需要对车身的B、C立柱增加包覆物以达到防护目的。
电池包进入车身后，仍需借助机械手沿X 向移动，且因车身内空间狭小，操作工人需要将电池包一次性移动到位，因此，电池包与车身应该有限位装置，可考虑在安装支架做限位凸台或在车身做限位结构，保证电池包在移动到位的情况下实现合理装配。
对于电池包的定位方案，建议将定位基准设置在前方，即车身内方便人员操作的位置，分别设定主副基准孔，而在电池包的后方，即后备箱方向，孔位尺寸可以放开，只要能够实现安装即可。
第二种方案为通过机械手将电池包直接从后备箱方向移动到位，此种方式能够实现机械手的便捷移动和撤回，比前一种方案更方便，只是在移动电池包过程中，需注意机械手不能对后背门产生磕碰划伤。为了保证一次性移动到位，也同样需要在电池包与车身内增加限位装置。
对于定位方案，与前一种情况较为相似，只是把定位基准设置在后备箱位置，便于工人拧紧装配。综合来说，此种方案较为合理，可优先考虑。
4.2 插电混合动力汽车电池包装配方案
插电混合动力汽车为同时兼顾传统燃油车零件及新能源零件，布置空间相对较紧凑，对于将电池包布置在后备箱的情况，其装配策略及定位方案与油电混合动力汽车情况类似，不再一一赘述。而对于布置在地板下方中通道位置的“T”型电池包或“1”字型电池包，虽然稍有差异，但就装配性而言，可视为一种。此处主要以“T”型电池包结构进行研讨。通过对比总装车间生产线的布置形式，混合动力车型的电池包装配只能在底盘线实现，且考虑到大部分车型都为前置前驱结构，而前置的动力总成模块也需要在底盘线完成装配，并通过高压线束与电池包连接，因此，其电池包需要在底盘线的前端完成装配，即在动力总成模块之前完成装配，并完成相应高压线束的插接。
因其电池包结构不规则，为保证装配顺利，在电池包被托举装配到车身过程中，需要在工装上增加一主一副定位销，来保证定位销与电池包、车身的定位，以此实现电池包一次性托举到位。此种定位方案的实施需要注意以下方面：需要分别在电池包、车身相应位置增加定位孔，以实现定位销的定位；需要注意电池包Z 向高度，避免因定位销过短而使得电池包举升过程中定位销不能及时插入到车身，不能起到定位作用；电池包定位孔应设置在同侧，便于工人移动电池包放置到工装上，避免因电池包Z 向较高，而使得工人移动电池包时不能同时兼顾两个定位销。插电混合动力车电池包工装如图5所示。

图5 插电混合动力车电池包工装
4.3 纯电动汽车电池包装配方案
纯电动汽车的电池包体积较大，则装配时必须借助AGV辅助进行，因电池包直接固定在车身下方，则装配过程中应通过AGV 工装实现一次性托举到位，然后再拧紧其余螺栓的装配策略。通过对比总装车间生产线的布置形式得知，其必须在底盘线完成装配，鉴于常规车间底盘线工位的数量相对较少，在确定电池包装配策略之前必须分析所需增加AGV 小车的数量并明确其运行轨迹，同时，因电池包体积较大，还需考虑电池包线旁配送、上件、运输等因素，避免在搬运过程中与周边物料发生干涉而影响其装配方案的实施。
纯电动汽车的电池包多被置于车身底部，所覆盖区域为前悬架总成与后悬架总成之间的整个地板，且其整体结构也多以长方形为主，因此，对于其特殊的结构形式，若采用一主一副定位销的定位方案，需使得工装定位销Z 向较长（覆盖电池包高度），同时，对车身的精度要求较高，如此方案反而会增加装配难度。所以，此处建议应对其分别进行定位，即工装与电池包、工装与车身分别独立定位，如图6所示。

图6 纯电动汽车电池包工装
此种方式虽然使得工装稍微复杂，但是便于装配，尤其是将电池包开箱后吊装到工装时，操作工人只需注意电池的定位孔与定位销配合即可，同理，工装在举升过程中，操作工人只需注意前方工装与车身的定位孔和定位销配合即可。