深度解讀電動(dòng)汽車動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)化快換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-27 13:41
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同時(shí)，由于目前電動(dòng)汽車換電設(shè)施建設(shè)正處于示范、試點(diǎn)與推廣階段，相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在研究和制定中。隨著一批電池更換站示范工程的建設(shè)和成功運(yùn)營，電動(dòng)汽車電池更換系統(tǒng)的規(guī)范化日益迫切，市場(chǎng)對(duì)具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化快換電池模塊的要求日益明顯。為了支撐電動(dòng)汽車電池更換站的規(guī)范建設(shè)，完善電動(dòng)汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系，具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊快換系統(tǒng)得到了更多的研究。
2010年上海世博會(huì)期間，由北京理工大學(xué)研發(fā)的具有標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的純電動(dòng)電池快換客車，采用集中充電與快速更換相結(jié)合的運(yùn)行機(jī)制，為確保世博會(huì)電動(dòng)客車能夠有效地延長運(yùn)行應(yīng)用時(shí)間、擴(kuò)大運(yùn)行區(qū)域、增加運(yùn)行里程、提供高效的運(yùn)行服務(wù)提供了能源保障。上海世博會(huì)期間的電池快速更換模式，也為電動(dòng)汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，提供了一定的參考。其中，電池更換機(jī)器人的使用雖然使得世博客車電池更換效率得到了大幅度提高，但同時(shí)也為“換電”模式增加了巨大的成本。本文介紹一種基于輕型商用車平臺(tái)設(shè)計(jì)的具有標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的新型電動(dòng)汽車電池快速更換結(jié)構(gòu)，在設(shè)備投入較少的情況下，實(shí)現(xiàn)車載動(dòng)力電池的快速拆卸與安裝。
如圖1、圖2所示，電池箱的外壁設(shè)置有固定銷鎖止機(jī)構(gòu)及螺栓鎖止機(jī)構(gòu)，其上部與車體焊接，實(shí)現(xiàn)電池箱與車體的連接固定;電池箱上蓋分別設(shè)置了動(dòng)力電池電源總線插座和電池管理系統(tǒng)通訊線插座;電池箱內(nèi)部設(shè)置有用于方便標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊安裝的滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及限制標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊在電池箱體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的壓緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊在電池箱內(nèi)的固定。
2.1 快速鎖止機(jī)構(gòu)
車載動(dòng)力電池的在車輛運(yùn)行過程中，隨車體一起經(jīng)受震動(dòng)與顛簸，因此，考慮快速更換的同時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)必不可少。
在電池框側(cè)壁設(shè)置有固定銷鎖止機(jī)構(gòu)和螺栓鎖止機(jī)構(gòu)(圖1、圖3所示)。固定銷鎖止機(jī)構(gòu)由上片、下片、固定銷、限位彈簧、定位彈簧和鎖止螺栓組成，上片和下片分別與車輛底盤和電池箱焊接，實(shí)現(xiàn)電池箱與車體的連接固定，通過拉伸定位彈簧實(shí)現(xiàn)固定銷與鎖止螺栓的插銷配合鎖止，并通過限位彈簧防止車輛顛簸時(shí)電池箱的向上串動(dòng)。
螺栓銷鎖止機(jī)構(gòu)由上片、下片和鎖止螺栓組成，上片和下片分別與車輛底盤和電池箱焊接，實(shí)現(xiàn)電池箱與車體的連接固定，通過鎖止螺栓和螺母的配合實(shí)現(xiàn)鎖止功能。
2.2 滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)
在電池框下片底面設(shè)置有滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(圖2所示)。滾動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的左右兩側(cè)設(shè)置有限位壁板，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的安裝定位，并通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)部的萬向球，減小標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊安裝與拆卸時(shí)前后移動(dòng)的阻力，在標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊移動(dòng)時(shí)，相互之間為滑動(dòng)摩擦。
在電池框內(nèi)部有壓緊機(jī)構(gòu)(圖2、圖4所示)，用于標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊在電池箱內(nèi)部的固定。壓緊機(jī)構(gòu)由固定基座、蝶形導(dǎo)向螺栓、楔形壓緊塊和滑動(dòng)塊組成。通過蝶形導(dǎo)向螺栓與固定基座的相對(duì)位移，帶動(dòng)楔形壓緊塊的上下運(yùn)動(dòng)，擠壓滑動(dòng)塊沿著固定基座的導(dǎo)軌左左右滑動(dòng)，從而擠壓標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊相對(duì)電池箱內(nèi)壁的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊的固定。
2.4 設(shè)置電源總線與電池管理系統(tǒng)通訊線路插座
電池箱上蓋分別設(shè)置電源總線插座和電池管理系統(tǒng)通訊線路插座(圖1、圖2所示)。電動(dòng)汽車上設(shè)有與所述插座配合的插頭。在電池箱安裝到位后，將電動(dòng)汽車上的插頭與電池箱上的電源總線插座、電池管理系統(tǒng)通訊線路插座快速插接即可;同時(shí)，電源線與通訊線分開布置，可大大降低動(dòng)力電流對(duì)通訊線路的干擾。
本電池快換系統(tǒng)的動(dòng)力電池模塊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化(圖2、圖5 所示)，具有通用性和互換性，方便安裝與拆除，可實(shí)現(xiàn)集中充電與快速更換的結(jié)合，對(duì)完善電動(dòng)汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系具有一定的參考意義。
目前來看，我國新能源汽車保有量高速增長，隨之而來的是該領(lǐng)域起火事故數(shù)量的增多。據(jù)了解，起火的8輛新能源物流車中，4輛是在充電過程中發(fā)生自燃；3輛是在行駛過程中發(fā)生自燃；1輛是停車狀態(tài)中發(fā)生自燃。不僅國內(nèi)新能源汽車頻發(fā)起火事故，美國純電動(dòng)汽車公司特斯拉也未能幸免，今年五月份，僅在一周之內(nèi)，特斯拉電動(dòng)汽車就發(fā)生兩起起火事故。
據(jù)了解，引起電動(dòng)汽車自燃的原因主要有以下幾種：一是碰撞引起的燃燒，二是電池散熱不夠引起燃燒，三是系統(tǒng)短路引起燃燒，四是電控系統(tǒng)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致在充電過程中的燃燒。無論是哪種原因?qū)е碌淖匀迹紝?duì)電動(dòng)汽車的安全性造成了嚴(yán)重威脅。
楊裕生指出，對(duì)電動(dòng)汽車來說，不論是商用車還是乘用車，都事關(guān)人命，必須把安全性放在第一位，其他問題為之讓路。
“安全性是新能源汽車發(fā)展必須保持的底線，希望全行業(yè)的所有參與者要能夠認(rèn)真的對(duì)待。”在今年的泰達(dá)論壇上，就行業(yè)熱議的新能源汽車的安全性問題，工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)司副司長瞿國春特別強(qiáng)調(diào)。
技術(shù)路線不該背鍋 系統(tǒng)設(shè)計(jì)才是主因
“電動(dòng)汽車自燃事故不應(yīng)該由三元鋰電池來背鍋，發(fā)生起火事故與電池的技術(shù)路線選擇并沒有直接關(guān)系，磷酸鐵鋰電池如果沒有控制好也一樣會(huì)出問題。”國家科技成果轉(zhuǎn)化基金新能源汽車創(chuàng)業(yè)投資子基金合伙人兼總裁方建華坦言，國內(nèi)電動(dòng)汽車事故頻發(fā)的現(xiàn)象，也折射出整車廠與電池廠對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全的重視程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，行業(yè)仍處于野蠻增長的狀態(tài)。
某整車廠電池工程師楊悅（化名）對(duì)記者表示，電動(dòng)汽車起火應(yīng)該分情況討論，如果是自然狀態(tài)下起火，應(yīng)該是電池本身或者整個(gè)系統(tǒng)的問題，在強(qiáng)烈撞擊下燃油車也有爆炸的可能性。
此前，某業(yè)內(nèi)人士發(fā)文稱對(duì)三輛發(fā)生自燃的新能源汽車做了拆解，分析發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車自燃頻發(fā)是涉事動(dòng)力電池企業(yè)和電動(dòng)車企不重視安全，為了降低成本，對(duì)電芯品控不嚴(yán)、BMS設(shè)計(jì)要求太低、沒有對(duì)動(dòng)力電池包足夠的安全設(shè)計(jì)保護(hù)等。
“補(bǔ)貼等政策一味強(qiáng)調(diào)電池能量密度對(duì)上下游有錯(cuò)誤的引導(dǎo)。優(yōu)質(zhì)電池不僅僅是高能量密度，還要具有高安全性、高一致性和長循環(huán)壽命。”方建華表認(rèn)為，部分整車廠對(duì)電動(dòng)汽車的理解程度不夠，在安全性防護(hù)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不到位，同樣會(huì)導(dǎo)致自燃等事故發(fā)生。
楊悅表示，業(yè)內(nèi)確實(shí)存在在整車廠降成本，電池廠商為保持利潤，進(jìn)行偷工減料，在沒有充分驗(yàn)證情況下就批量供貨的情況。
另外，還有一些廠家為了拿補(bǔ)貼，在缺乏成熟的技術(shù)與嚴(yán)格的驗(yàn)證的情況下，匆忙上馬電池項(xiàng)目，上馬高能量密度電池項(xiàng)目。對(duì)此，方建華指出，任何事物的發(fā)展進(jìn)步都有一定規(guī)律，現(xiàn)在整個(gè)行業(yè)有點(diǎn)急功近利，違背技術(shù)進(jìn)步的規(guī)律發(fā)展是不可取的，尤其是整車廠應(yīng)該深思。
“整車廠應(yīng)該對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行安全方面的考量，而不是一味要求高能量密度。”方建華特別強(qiáng)調(diào)，電池是一個(gè)高精密制造的行業(yè)，如果只從價(jià)格，能量密度來要求的話，只會(huì)使高端制造走向低端制造。
寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司副董事長黃世霖也指出，新能源行業(yè)目前面臨的挑戰(zhàn)之一就是風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)不足，導(dǎo)致有很多的非理性的投資，造成很大結(jié)構(gòu)性的產(chǎn)能過剩，從動(dòng)力電池到新能源汽車都能看到這樣的現(xiàn)象。
應(yīng)加大對(duì)安全性的管理和引導(dǎo)
業(yè)內(nèi)人士普遍指出，行業(yè)進(jìn)步需要多種技術(shù)路線共同推進(jìn)，增加安全性能方面的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。
方建華坦言，提升三元鋰電的能量密度主要應(yīng)該通過化學(xué)的方法進(jìn)行，但現(xiàn)在許多公司采用了物理方面，“不該薄的薄了”，比如在電池隔膜、鋁殼等方面，不應(yīng)該減薄的做薄了；“該有的沒有了”，即該有的電池防護(hù)、熱管理系統(tǒng)簡(jiǎn)化，甚至沒有了；“不該大的大了”，目前存在單體電芯做得很大的情況，但沒有經(jīng)過系統(tǒng)的安全性驗(yàn)證，主要為了迎合能量密度的要求。
因此，方建華認(rèn)為電池企業(yè)一定要從材料本身、電芯設(shè)計(jì)來系統(tǒng)進(jìn)行安全性能建設(shè)，同時(shí)整車廠要對(duì)電池有更高的安全性要求，更重要的是需要政策的引導(dǎo)。“政策應(yīng)該引導(dǎo)業(yè)內(nèi)對(duì)三元鋰電池有正確的認(rèn)識(shí)，避免一味追求高能量密度，如何提升安全性才是重中之重。”
北重集團(tuán)產(chǎn)品研究院總設(shè)計(jì)師宋彥明也指出，避免起火事故發(fā)生的手段是加大電動(dòng)汽車的安全檢查，讓不合格的產(chǎn)品早日退出，讓無良企業(yè)無法生存，增加電動(dòng)汽車年檢規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，讓消費(fèi)者用的放心。
