電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模塊的先期維修性設(shè)計(jì)

王達(dá)華，張文廣

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

本文中的電動(dòng)汽車主要指以鋰離子電池輸出的電力為新增動(dòng)力來源的新能源汽車，具體形式有油電混合或者純電動(dòng)兩種。電動(dòng)汽車是中國乃至世界汽車市場發(fā)展的一個(gè)現(xiàn)狀和趨勢，但電動(dòng)汽車在市場試推廣過程中給大眾留下的 “嬌貴”印象及易損、難修、不安全等種種因素制約著它的快速發(fā)展。動(dòng)力電池模塊屬于新能源汽車核心關(guān)鍵零部件，在整車成本中占極大比重，客戶擔(dān)心購買一輛新能源汽車后，一旦出現(xiàn)故障或事故造成該部分的維修，會(huì)帶來很高的維修成本。

下面是2種典型新能源車型推廣而采取的保修方案。

1）雪弗蘭Volt，GM給出了8年或者10萬英里的質(zhì)保期，使得消費(fèi)者能夠放心使用，把維修的風(fēng)險(xiǎn)降低。

2）瑞典政府則采用租用動(dòng)力電池模塊的方式，消費(fèi)者僅僅有整車的維修需要考慮，對于電池組則沒有任何疑慮，如果動(dòng)力電池模塊本身品質(zhì)出現(xiàn)問題，那么直接到指定地點(diǎn)更換，租借的形式可以完全由廠家來控制，如果電池狀態(tài) （SOC）較好，完全可以繼續(xù)交由客戶持續(xù)使用。

這2種方式都能夠推廣：①延長質(zhì)保期，增加消費(fèi)者對該產(chǎn)品信心；②把電池組單獨(dú)作為非賣品，以租代售，降低消費(fèi)者風(fēng)險(xiǎn)。

可以看出，電動(dòng)汽車的推廣者制定這些措施方案已經(jīng)考慮到一部分售后維修的因素。但是這些方案都是 “治標(biāo)不治本”，沒有從根本上解決動(dòng)力電池模塊維修的問題，僅僅是將維修成本轉(zhuǎn)嫁了。特別是純電動(dòng)汽車，汽車中鋰電池的好壞與續(xù)駛里程有直接關(guān)系，當(dāng)鋰電池組的一部分因?yàn)閭€(gè)別鋰電池缺陷而導(dǎo)致整體電量存儲(chǔ)無法滿足客戶對續(xù)駛里程的需求，而此時(shí)并非所有的鋰電池組達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，仍擁有可使用的價(jià)值。如果產(chǎn)生碰撞或者漏液，鋰電池組中的一部分損壞，必須全部加以更換。因此，要想從根本上解決維修成本問題，必須在設(shè)計(jì)之初予以考慮，研究動(dòng)力電池模塊的先期維修性設(shè)計(jì)。

1 先期維修性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

汽車先期維修性也就是在設(shè)計(jì)之初售后工程就參與其中，根據(jù)多重考慮因素，使設(shè)計(jì)在滿足性能達(dá)標(biāo)的同時(shí)也要注重售后維修的合理設(shè)計(jì)，這是體現(xiàn)同步工程的重要環(huán)節(jié)。車輛設(shè)計(jì)中加入先期維修性設(shè)計(jì)理念能夠使得車輛的保養(yǎng)和維修成本有很好的經(jīng)濟(jì)性，能夠使消費(fèi)者建立對該車輛或品牌的信任感。另外，良好的維修性可以使車主的車輛具有很高的轉(zhuǎn)售價(jià)值，能夠使主機(jī)廠OEM具有很好的市場鏈。

產(chǎn)品滿足要求的先期維修性設(shè)計(jì)有以下幾方面考慮因素。

1）診斷性能 零部件特別是電器相關(guān)零部件在設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證診斷性能，即售后維修時(shí)對電器部件故障診斷的迅速、準(zhǔn)確性，良好的診斷設(shè)計(jì)能夠使客戶 “一次”完成故障原因的定位。

2）避免使用專用工具 零部件的維修盡量多地使用常用工具或設(shè)備。維修專用工具的購買將使維修站該方面成本投入轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者身上。

3）簡化保養(yǎng)操作 零部件盡量設(shè)計(jì)成不需要客戶進(jìn)行保養(yǎng)。如必須保養(yǎng)，應(yīng)該避免拆卸主要部件，設(shè)計(jì)簡化的保養(yǎng)步驟。

4）降低維修零件成本 如果總成零件的單個(gè)成本較高，并存在損壞風(fēng)險(xiǎn)，則一般在設(shè)計(jì)中將易損部分進(jìn)行單獨(dú)可拆卸設(shè)計(jì)。

5）避免特殊的安裝、運(yùn)輸、處理要求 零部件在設(shè)計(jì)時(shí)要盡量避免產(chǎn)生特殊的處理要求，如對安裝、運(yùn)輸?shù)饶K的使用時(shí)，如果不經(jīng)過某過程處理會(huì)產(chǎn)生某些特定的風(fēng)險(xiǎn)。

6）縮短維修工時(shí) 進(jìn)行的維修工作時(shí)間越少，客戶的成本就越低。

7）貴重零部件的保護(hù)設(shè)計(jì) 貴重零部件應(yīng)設(shè)計(jì)安裝在最不容易被損壞的部位，降低保險(xiǎn)成本。關(guān)鍵子零件安裝位置有良好的進(jìn)出空間，便于售后維修。

2 模塊結(jié)構(gòu)及維修特點(diǎn)

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能

根據(jù)功能不同，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模塊一般都包含鋰電池組、電池管理模塊、電池冷卻回路、保護(hù)裝置等部件。動(dòng)力電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

1）動(dòng)力鋰電池組 本公司鋰電池是以磷酸鐵鋰為主要成分的，鋰電池單體一般3.3V左右，各鋰電池單體通過串聯(lián)或者串并聯(lián)方式輸出120～300 V左右不等的直流電壓。

2）電池管理模塊 包含對電池狀態(tài)的管理程序，以監(jiān)控電池各個(gè)單體或單獨(dú)模塊的溫度、電壓，調(diào)節(jié)電平衡等。

3）電池組冷卻回路 當(dāng)前設(shè)計(jì)中有兩種冷卻方式：風(fēng)冷或水冷，對應(yīng)在動(dòng)力電池模塊內(nèi)部的冷卻回路一般指冷卻風(fēng)道或冷卻液回路。

4）保護(hù)裝置 包含安全斷開開關(guān)、大容量熔斷絲，是用來保護(hù)鋰電池組或者其他電子電器設(shè)備、防止觸電風(fēng)險(xiǎn)等。

5）其他部件 包括線束和一些緊固件，用來固定上述各個(gè)部件，并將各部分連接用來通電或者通信。

2.2 維修特性分析

根據(jù)傳統(tǒng)車上各個(gè)零部件的維修經(jīng)驗(yàn)，針對動(dòng)力電池模塊有兩種方案，一種是像發(fā)動(dòng)機(jī)零部件一樣進(jìn)行設(shè)計(jì)分解，這樣似乎可以在很大程度上降低維修成本。但是也遇到諸多的問題。

1）鋰電池組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且危險(xiǎn)性較高。若打開外殼，維修人員將直接面對內(nèi)部高壓電池，以本公司的電動(dòng)汽車為例，中混汽車的動(dòng)力電池的直流電壓可達(dá)到120 V；強(qiáng)混動(dòng)力電池汽車、純電動(dòng)汽車的輸出達(dá)到300多伏。隨著電動(dòng)車中電池組所占動(dòng)力驅(qū)動(dòng)比例的增加，其輸出電壓越高，危險(xiǎn)性也越大。

2）同一個(gè)動(dòng)力電池模塊內(nèi)部各個(gè)鋰電池組之間也無法如普通零件一樣隨便替換。如果加入一節(jié)新模塊而舊模塊仍在使用，不僅會(huì)對電池的使用壽命造成影響，也影響電池組之間的平衡。

3）維修設(shè)備及人員需求嚴(yán)格。本公司的強(qiáng)混汽車的動(dòng)力電池模塊，除了上面說的高壓的原因，在當(dāng)前的設(shè)計(jì)中其防水防塵等級要求是IP67，需要專業(yè)的設(shè)備及人員才能進(jìn)行維修操作。

另一種則是采用總成更換的策略，如果判斷是電池的故障，則交由維修站直接進(jìn)行總成更換。保證了消費(fèi)者的權(quán)益，但是在意外碰撞或質(zhì)保期之外，消費(fèi)者的維修成本相當(dāng)高昂。從中混汽車到純電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池占整車的成本從15%左右且不斷增加，采用總成更換的維修方法幾乎可以使所有消費(fèi)者打退堂鼓。質(zhì)保期內(nèi)，主機(jī)廠或動(dòng)力電池供應(yīng)商負(fù)擔(dān)較重，也不利于大面積推廣。

3 模塊維修性設(shè)計(jì)思路

雖然將動(dòng)力電池模塊整體更換比較方便，但是拆散更換的綜合成本和市場因素，推廣子零件維修是新能源汽車發(fā)展的必然趨勢。因此，根據(jù)前文所述，對零件責(zé)任工程師的先期維修性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出了相應(yīng)要求，其中以下幾點(diǎn)必須針對拆散之后產(chǎn)生的實(shí)際狀況做進(jìn)一步的考慮。

1）診斷設(shè)計(jì) 除了電池模塊本身功能失效的診斷設(shè)計(jì)外，動(dòng)力電池模塊在拆散之后，其內(nèi)部子零件增多，必須考慮要盡量對各個(gè)子零件的故障定義清晰。因此在動(dòng)力電池模塊設(shè)計(jì)之初，評估模塊內(nèi)部各子零件的潛在失效模式 （DFMEA），根據(jù)各種失效形式設(shè)計(jì)對應(yīng)診斷故障碼 （DTC）；同時(shí)提供一些可讀參數(shù)并給出正常工作的有效閾值區(qū)間，這些參數(shù)用來幫助維修人員通過售后診斷設(shè)備讀取和判斷子零件的工作狀態(tài)。例如：每個(gè)鋰電池組定義為最小可維修電池組模塊，對每個(gè)電池組的溫度、電壓、電流等進(jìn)行監(jiān)控，給定這些參數(shù)的合理范圍，在超出規(guī)定范圍的時(shí)候，即產(chǎn)生DTC；同時(shí)給出這些參數(shù)的診斷儀讀取功能，以便維修人員實(shí)時(shí)判斷。

2）替換性 由于動(dòng)力電池模塊結(jié)構(gòu)及程序的復(fù)雜性，內(nèi)部有的子零件控制模塊不能直接替換。例如：電池管理模塊一方面包含用戶的一些駕駛習(xí)慣，在用戶使用過程中能夠自學(xué)習(xí)，記錄一些行車數(shù)據(jù)，車輛駕駛者的駕駛習(xí)慣；另一方面隨著用戶的使用，鋰電池組的狀態(tài)也隨之發(fā)生一系列變化，動(dòng)力控制模塊能夠根據(jù)電池的狀態(tài)不斷調(diào)整控制邏輯：鋰電池性能隨著使用時(shí)間逐步衰減，本質(zhì)上產(chǎn)生變化的數(shù)據(jù)如電池的開路電壓OCV、內(nèi)部電阻IR、荷電狀態(tài)SOC等被不斷記錄并存儲(chǔ)。如果更換控制模塊，則必須把舊的控制器中這些用戶數(shù)據(jù)備份出來并復(fù)制到新的控制器中；如果更換其中一個(gè)鋰電池組，則新鋰電池組進(jìn)入系統(tǒng)后，必須根據(jù)新更換鋰電池組的數(shù)據(jù)調(diào)整控制器內(nèi)部相應(yīng)數(shù)據(jù)。當(dāng)然，還必須設(shè)計(jì)出一種控制邏輯缺省模式，以防止原控制模塊徹底損壞而無法備份數(shù)據(jù)，從而對電池?fù)p害程度降到最低。

3）易損件 根據(jù)零部件測試試驗(yàn)及DFMEA的水平，評估出易損件信息。一些對電池的保護(hù)裝置，如熔斷絲、安全開關(guān)等，必須采用可更換、易拆卸的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如：高壓電池本身的密封性為IP67，易損件的拆卸較為頻繁，因此，若將熔斷絲、安全開關(guān)設(shè)計(jì)密封在外圍單獨(dú)區(qū)域，與內(nèi)部其他零件隔離，將有助于降低維修這些易損件產(chǎn)生的影響。

4 小結(jié)

隨著電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展，在輿論方面高呼中國電動(dòng)汽車發(fā)展同步于世界水平的時(shí)候，我們?nèi)匀恍枰谠O(shè)計(jì)汽車的各個(gè)方面從傳統(tǒng)汽車制造廠商的經(jīng)驗(yàn)積累中，尋找有價(jià)值的工作流程。對先期維修性設(shè)計(jì)的深入研究，將使我們在動(dòng)力電池模塊的發(fā)展中，盡快拉近電動(dòng)汽車和消費(fèi)市場的距離。