電動汽車動力電池應用安全提升研究

徐　昱，蔣燕萍，鄭正仙，張鵬飛，徐燁玲

（1．國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州　310009；2．杭州大有科技發展有限公司，杭州　310052）

0　引言

電動汽車使用蓄電池作為動力來源，運行過程沒有尾氣排放，且噪聲小、能源轉化率高，與傳統汽車相比，具有突出的環保優勢[1-2]。而蓄電池作為電動汽車的主要能量載體和動力來源，其運行安全性直接關系乘客的生命財產安全，也是提高電動汽車市場化和商業化的關鍵因素之一[3-6]。

北京、杭州、深圳等地較早將電動汽車投入到出租車運營市場中[7-8]。國網杭州供電公司運營的電動出租車采用換電模式：在充換電站內將動力電池充滿，然后采用換電設備將動力電池換到電動汽車上，以解決車輛續航里程短的問題；另外，動力電池經一定使用次數后，根據實際使用情況進行維護。換電模式的電動汽車還參與了國家電網公司蘇滬杭城際互聯工程[9-10]。

以下從某例維護過程中發現的電動汽車動力電池電芯極耳斷裂等現象出發，分析了其中的幾個主要原因，并有針對性地提出解決措施。這些措施有效地提升了杭州換電型電動汽車動力電池使用的可靠性。

1　某例動力電池電芯極耳斷裂分析

在維護過程中，充換電設施運維人員發現所維護的某箱動力電池有電芯極耳斷裂的現象，還伴隨著電池箱體變形、導向柱彎曲等特點。此種電池如果后期繼續使用，將嚴重危害車輛和人員的安全，所以對電池故障進行分析顯得非常重要。

1.1　動力電池箱體強度

隨著電動汽車的快速發展，對電動乘用車動力電池制造技術要求也越來越高，動力電池箱作為電動汽車動力電池電芯主要承載裝置，其設計和結構穩定性直接影響動力電池的壽命和續航性能[11-13]。

電動乘用車動力電池在行駛過程中，受到來自路面的隨機顛簸外力，其箱體結構必須有足夠的強度和剛度以保證其疲勞壽命和保證其裝配與使用要求，進而保證電池箱在車輛行駛時不會因反復間隙碰撞而發生形變，箱體一旦形變，內部電芯受到相應的擠壓，形成應力集中進而影響電池一致性和電池使用壽命。除了應有的機械強度，電池箱體必須滿足專用電氣箱體設備外部防護等級的設計要求，起到防塵、防水，保證電芯穩定運行。

舊電池箱整體采用金屬鋁板材，內部只有少量玻璃化布板，中間沒有縱向隔板，因此，防撞能力有限。在經過電池箱撞擊試驗后發現，該電池箱在經過反復多次撞擊之后，橫向隔板都有不同程度的變形，甚至有的隔板已經脫開焊點，嚴重影響降低了電池箱體對電池包防護性能。由此可見，在電池隨車顛簸的情況下，舊電池箱存在安全隱患，電池箱的整體防護等級需要進一步提高。

1.2　人工換電作業

電池在換電模式下，需要人工對動力電池進行更換。在杭州，換電型電動汽車換電過程如下：工作人員先將滿電電池從電池充電架上取下放于移栽車的托盤上，通過移栽車行駛到需要換電的電動汽車后備箱附近，再將待充電池從電動汽車后座下面的電池總成架內拉出放入另一輛移栽車托盤上，最后將滿電電池推入電池總成架內。由于電動汽車電池艙與車底座有22°斜坡，通過人力很難控制電池自由下滑速度，將重約65 kg電池推入電池總成架內時，離電池插入接插口還有一段距離，電池由于重力下滑產生一定的沖擊力，對電池總成架內接插件造成撞擊，反復多次后極易導致電池導向柱彎曲變形，發生拉弧現象，電池箱內的電芯也承受了撞擊應力。另外，電池搬運需要工作人員用手直接在電池箱體上進行接觸操作，在這過程中存在較大的安全隱患。

1.3　電動汽車運行過程

由于電動汽車在行駛過程中會有較大的振動、沖擊，這對電動汽車內部的設備、元件都提出了較高的要求，特別是作為電動汽車動力的電池，由于快換模式的電池箱體不是完全固定在電動汽車上，因此，電動汽車電池位置穩定性對供電的可靠性有著重要作用。但在現有技術中，電池箱與供電端口直接連接，在汽車車身振動下，電池箱與供電端口的連接會不穩定，從而導致運行過程中動力突然中斷，發生事故。這主要是因為汽車在急轉和顛簸時，電池箱突然受到猛烈振動，車載接插件接口與電池箱插頭相對位移過大甚至脫離，導致電池拉弧或動力中斷。

2　采取的主要措施

通過對以上3個方面的分析和考慮，為保證電池安全使用，制定了以下措施。

2.1　動力電池箱強化

新型電動汽車動力電池箱是在原有技術的基礎上作優化設計，強化箱體內部結構以提升電池箱的強度，使電池箱給電芯提供牢固的保護和支持，防止電芯因位移過大而影響極耳連接，發生安全事故。其結構設計如圖1所示[14]。

圖1　改進后動力電池箱體結構

改進后的動力電池箱體仍由箱體上蓋、箱體、拉手、隔板、壓板等主要部分組成。電池箱尺寸仍然不變，箱體主體材料采用304不銹鋼，替代原鋁合金材質。結構設計上增加了304不銹鋼材質的橫向和縱向隔板，以提升箱體防撞能力。將電芯裝入箱體后，為緊固電芯，設計中采用了電芯壓板，壓板采用阻燃ABS加玻纖的方式，既提高了阻燃等級，又能夠保證其硬度，不會由于電芯振動導致壓板拱起，能夠極大的減弱電池振動時電芯之間連接的應力。

原電池箱靠近插頭部分只有1塊1.5 mm厚鋁板，作為固定電池管理系統使用，當受到沖擊時，該鋁板不能有效地阻止后面電芯的沖擊，導致鋁板脫焊。加強型電池箱設計時，在接插件與擋板的空余處增加1塊3 mm厚高強度U型板，以達到承載后部的沖擊力作用。在電池向接插件方向運動時，電池箱體對U型板有一作用力，從而U型板對電池隔板也有一個作用力，這個力與電池對隔板的作用力方向相反，所以在一定程度上抵消部分作用力，使電池橫向隔板受力減小。該高強度U型板受力分析情況如圖2所示。

圖2　高強度U型擋板受力分析

為驗證電池箱強度提升效果，模擬換電作業工況，設計電池沖擊試驗臺，并進行對比測試。試驗臺如圖3所示[15]。

圖3　電池沖擊試驗臺的側視結構

試驗臺包括弧形調位支架、行程支架、提升裝置、電控箱、離合器和連接繩索等。通過轉動行程支架和調節行程開關調節與水平面夾角，控制機構內PLC（可編程邏輯控制器）控制電動機拉起電池，當行程支架觸發限位開關時停止動作，再利用電離合器瞬間脫開電池，使電池沿斜面自由滑落，模擬電動汽車換電池動作，實現對電池的沖擊試驗。

首先使用某新型電池箱體進行試驗，每碰撞50次進行人工觀察、拍照方式記錄測試結果，經過1天的試驗，碰撞次數達到1 000次，將電池箱體拆開后觀察箱體內隔板等材料，隔板有輕微變形，電池箱體達到設計要求。而后將同樣配重物放入對應原電池箱隔板倉內進行同樣測試，在第1個50次碰撞后，箱體隔板已發生了嚴重的形變，后又進行了20次碰撞，箱體內部隔板變形嚴重，停止繼續測試。由此可見通過優化設計，電池箱體防撞能力得到顯著提升。

2.2　電池揀選機研發

由于重力作用，一箱質量約65 kg的動力電池將以一定加速度沿電池艙斜面下滑，最后造成對車輛和接插件的正面撞擊。為減少電池換電時接插件的撞擊和提升人員換電安全性，設計了一種能控制電池箱勻速下滑的換電設備，叫做電池揀選機，它通過電機控制電池拉手，平衡電池下滑分力，從而有效減少電池對電池總成架的撞擊作用力。電池揀選機外觀結構如圖4所示[16]。

圖4　電池揀選機

電池揀選機主要包括安全裝置、行駛驅動部件、制動系統、轉向系統、操作和顯示元件、液壓系統、電氣系統及相關機械部件，具有安全可靠、簡單易學、使用方便等優點。

當需對電動汽車進行換電時，先由電池揀選機的電池拉手與電池箱的扣手卡合，將電池從電池充電架上取下，放于托盤上。然后由工作人員駕駛電池揀選機至待換電的電動汽車旁，通過調節俯仰裝置角度，將電池托盤與電動汽車電池艙體對齊，方便電池拉手將電池推至車內電池艙位。

電池揀選機不但適用于電池搬運和揀選，也可以完成動力電池的堆垛與卸垛工作，另外通過俯仰組件調節托盤傾斜角，使得電池揀選機不僅適用于水平安裝的電池取放，還適用于傾斜安裝的電池取放。1輛電池揀選機設計有4個電池拉手，可以同時完成4節電池的換電工作。僅該步驟與人工換電相比就減少75%的換電工時，在保障人員安全的同時大大提高換電工作效率。

2.3　電池總成架改進

車輛在行駛途中不可避免會出現上下顛簸，電池箱體在動力艙內亦會隨之上下振動。為了降低電池振動幅度，防止電池在猛烈振動情況下從電池艙內滑出，在電動汽車后備箱內設置電池總成架，用于放置車載電池組。原電池總成架的結構如圖5所示。

圖5　原電池總成架

原電池總成架主要由電池限位隔板、鎖緊機構和滾軸等部件組成。側板和隔板未安裝滾軸，只在底板安裝普通滾軸。

為降低電池箱在艙內的磨損，對原電池總成架進行了倉內防磨損化技術處理：電池總成架末端設置緩沖塊，隔板和側板上安裝滾軸，底板上的普通滾軸換成阻尼滾軸等。新結構電池總成架如圖6所示[17]。

緩沖塊由聚氨酯等材料制成，具有一定彈性和耐磨功能，可以起到減振緩沖作用，通過緩沖塊電池箱到達背板時的沖擊力小很多。側面滾軸表面涂覆緩沖層，電池在滾軸上滑動時，瞬間沖量所造成的沖擊大部分將會被緩沖層吸收，從而大幅減少滾軸對電池側表面的磨損，提高了電池的使用壽命，延長了更換周期。當電池箱經過阻尼滾軸時，由于滾軸的單向軸承性，阻尼則開始作用電池箱，通過阻尼軸承內的內軸和外軸的相對轉動，能夠有效阻礙電池的下滑行程，從而使電池從電池總成架內滑動的時候，速度不至于過快，避免造成意外損害。另外，通過總成架底板、側板、隔板和頂板來限制電池的自由度，通過壓桿緊壓電池，使其無法脫離，保證電池與供電端口的連接穩定。

圖6　新結構電池總成架

3　結語

電動汽車的電池安全性一直是市場關注的焦點，而換電型電動汽車的安全還涉及人工換電環節，所以需要全方位考慮才能保證動力電池的使用安全性。在此提出對動力電池箱內部、換電設備以及電池總成架進行優化設計，使得電池箱體不會因為長期使用發生內/外部形態變化，保證電池安全。以上優化方案均得到應用：由電池組裝單位對電池箱進行了強化后重組，電動出租車運營單位對研發的勻速換電設備進行了試用，電動出租車生產單位則對電池總成架進行了全面的升級。從后期的電池維護情況來看，電池使用可靠性得到明顯提升，電動汽車的安全性得到加強。