純電動汽車換電機構防腐性能設計及驗證研究

王文濤，崔永瑞，王斌，吳澤勛

（重慶睿藍汽車研究院有限公司，重慶 400700）

引言

隨著純電動汽車在國內(nèi)市場的大力發(fā)展，傳統(tǒng)車企和造車新勢力紛紛投入純電動車領域，涌現(xiàn)了一大批新能源造車勢力，傳統(tǒng)車企涌現(xiàn)了如極氪、深藍、埃安燈汽車品牌，新勢力車企涌現(xiàn)了如蔚來、小鵬、零跑、哪吒、理想等品牌。對于純電動汽車，續(xù)航和充電時間仍然是限制其發(fā)展的難點[1]，所以靈活的補能方式顯得尤為重要，出現(xiàn)了快充、慢充、電池膠囊模塊化等多樣化補能方式。國家在推廣純電動汽車發(fā)展的同時，也在推廣汽車“換電”、“車電分離”技術的發(fā)展，鼓勵充換電結(jié)合發(fā)展[2]，國內(nèi)各大主機廠紛紛入局換電模式，截止目前，國內(nèi)大部分主機廠幾乎均已布局換電技術領域。

對于換電汽車，換電機構是連接電池和車輛的核心部件，同時也是車輛與換電站的連接橋梁，其重要程度不言而喻[3]。目前市場上的純電動汽車換電機構絕大部分為底盤換電[4]，底盤區(qū)域腐蝕環(huán)境惡劣，濕熱、酸雨、冬季融雪鹽等因素對腐蝕影響非常大，在嚴重腐蝕條件下，如何保證換電機構的防腐蝕可靠性及穩(wěn)定性，是換電汽車必須要研究解決的重要問題。目前針對換電機構防腐性能的研究還鳳毛麟角，在換電模式快速發(fā)展的背景下，開展換電機構的防腐性能研究對整車企業(yè)以及行業(yè)發(fā)展都具有重要實際意義。

本文通過針對純電動換電汽車換電機構的防腐性能進行設計，策劃了換電機構防腐性能驗證方案，通過零部件腐蝕試驗進行系統(tǒng)驗證，通過整車道路強化腐蝕試驗進行耐腐蝕可靠性驗證，進而建立一套防腐性能優(yōu)異、耐久性能穩(wěn)定可靠的換電機構，支撐純電動換電汽車的發(fā)展。

1 方案設計

本文研究的純電動汽車換電機構（如圖1 所示）主要包含換電鎖體上鎖體本體，下鎖體本體，上鎖體蓋板，下鎖體固定螺母，鎖止鋼球等機構組成；

圖1 換電鎖體結(jié)構設計圖示

換電機構鎖體選材設計方面，充分考慮汽車底盤區(qū)域的腐蝕環(huán)境影響，在設計定義時，選用針對防腐效果較好的材質(zhì)和防腐性能較好的表面處理工藝；換電鎖體的上鎖體本體、下鎖體本體、下鎖體固定螺母選用40Cr材質(zhì)，采用鍍鋅鎳的表面處理工藝；40Cr 是一種優(yōu)質(zhì)的合金結(jié)構鋼，具有良好的淬透性和力學性能，經(jīng)淬火+回火后具有優(yōu)秀的耐磨性能和耐腐蝕性能，經(jīng)熱處理后再進行鍍鋅鎳處理，可以大大提升鎖體的耐腐蝕性能和耐磨性能，從材料源頭減少鎖體腐蝕的影響。

換電鎖體的上鎖體蓋板選用SUS304 不銹鋼材質(zhì)，SUS304 是一種優(yōu)質(zhì)的不銹鋼材料，具有良好的耐腐蝕性能和機械性能。

換電鎖體中的鎖止鋼球選用GCr15 材質(zhì)，GCr15 是一種合金含量較少、應用較為廣泛的高碳鉻軸承鋼，經(jīng)過淬火+回火后，具有較高的硬度、良好的耐磨性、較高的接觸疲勞性能和良好的耐腐蝕性能，熱處理后鋼球表面再進行潤滑脂涂覆，潤滑脂具有良好的抗極壓性，可以減少鋼球的磨損，潤滑脂優(yōu)異的鋼網(wǎng)分油性能保證潤滑脂具備良好的附著性，進一步提升鋼球的耐腐蝕性能和鎖止運動的潤滑性。

本文研究的純電動汽車換電機構，充分考慮該部件在汽車上的應用腐蝕環(huán)境，結(jié)合換電鎖體結(jié)構，從零部件的材料選型設計和表面處理工藝設計兩方面，充分考慮換電鎖體的防腐性能設計，力求設計的換電鎖體的防腐性能滿足純電動汽車應用的要求。

2 試驗策劃

為了充分驗證換電鎖體機構的耐腐蝕性能和耐腐蝕可靠性能，本文從系統(tǒng)防腐性能驗證和整車道路強化腐蝕試驗驗證考慮，全面策劃了換電鎖體機構系統(tǒng)防腐性能試驗驗證和整車道路強化腐蝕試驗驗證。

換電鎖體機構系統(tǒng)防腐性能試驗驗證，依據(jù)GB/T 10125-2021《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》[3]的試驗方法，開展中性鹽霧試驗720 h，檢查換電鎖體機構表面腐蝕表現(xiàn)和換電機構鎖止功能狀態(tài)。

換電鎖體機構搭載整車道路強化腐蝕試驗驗證，依據(jù)QC/T 732-2005《乘用車強化腐蝕試驗方法》[4]的試驗方法，開展整車強化腐蝕試驗100 循環(huán)，每開展10 個循環(huán)試驗后，檢查換電鎖體機構表面腐蝕表現(xiàn)和換電鎖體機構鎖止功能狀態(tài)。

3 試驗驗證

3.1 零部件系統(tǒng)中性鹽霧試驗

換電鎖體機構零部件系統(tǒng)防腐性能試驗驗證，依據(jù)GB/T 10125-2021《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》的試驗方法，中性鹽霧試驗720 h，試驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 換電鎖體中性鹽霧試驗前后狀態(tài)

由圖2 換電鎖體中性鹽霧試驗前后狀態(tài)結(jié)果分析，換電鎖體開展中性鹽霧試驗720 h 后，換電鎖體機構上下鎖體表面未出現(xiàn)腐蝕問題，換電鎖體機構鎖止功能未出現(xiàn)失效問題，滿足換電鎖體零部件中性鹽霧試驗720 h后無銹蝕、功能未失效的防腐性能設計技術要求。

3.2 整車道路強化腐蝕試驗驗證

換電鎖體機構零部件系統(tǒng)防腐性能驗證滿足設計要求后，進一步搭載整車道路強化腐蝕試驗，驗證模擬整車行車和換電狀態(tài)下?lián)Q電鎖體機構的耐腐蝕性能和耐久可靠性能。

整車道路強化腐蝕試驗依據(jù)QC/T 732-2005《乘用車強化腐蝕試驗方法》的試驗方法進行，開展整車強化腐蝕試驗100 循環(huán)，每10 個循環(huán)試驗后，檢查換電鎖體機構表面腐蝕狀態(tài)和換電鎖體機構鎖止功能狀態(tài)，檢查結(jié)果如表1 所示。

表1 整車道路強化腐蝕試驗中換電鎖體腐蝕表現(xiàn)

通過表1 整車道路強化腐蝕試驗中換電鎖體腐蝕表現(xiàn)結(jié)果，分析換電機構上鎖體在整車強化腐蝕試驗中的腐蝕表現(xiàn)如圖3 所示，分析換電鎖體下鎖體在整車強化腐蝕試驗中的腐蝕表現(xiàn)如圖4 所示，換電機構上下鎖體腐蝕表現(xiàn)趨勢基本一致。

圖3 上鎖體整車強化腐蝕試驗中腐蝕表現(xiàn)

圖4 下鎖體整車強化腐蝕試驗中腐蝕表現(xiàn)

通過整車道路強化腐蝕試驗驗證，針對換電鎖體腐蝕表現(xiàn)分析，10 個循環(huán)試驗后，換電鎖體機構上下鎖體表面未出現(xiàn)腐蝕問題，腐蝕表現(xiàn)等級評價為0 級，鎖止功能評價未失效。20 個循環(huán)試驗后，換電鎖體機構上下鎖體表面未出現(xiàn)腐蝕問題，腐蝕表現(xiàn)等級評價為0 級，鎖止功能評價未失效。30 個循環(huán)試驗后，換電鎖體機構上下鎖體表面出現(xiàn)了微量腐蝕，腐蝕表現(xiàn)等級評價為1級，鎖止功能評價未失效。50 個循環(huán)試驗后，換電鎖體機構上下鎖體表面出現(xiàn)了輕度腐蝕銹點，腐蝕表現(xiàn)等級評價為3 級，鎖止功能評價未失效。一直到100 循環(huán)試驗結(jié)束，換電鎖體機構上下鎖體表面腐蝕表現(xiàn)未出現(xiàn)大的銹點，且表面銹蝕面積未超過零件總面積的25 %，腐蝕表現(xiàn)一直保持在腐蝕等級3 級，鎖止功能評價未失效。

經(jīng)過整車道路強化腐蝕試驗驗證，本文設計的換電鎖體方案防腐性能和耐久穩(wěn)定性能優(yōu)異，滿足純電動換電汽車的設計要求。

4 結(jié)論

綜合以上純電動汽車換電結(jié)構方案設計分析和驗證結(jié)果分析可以看出：本文主要從純電動汽車換電機構換電鎖體材質(zhì)選型和表面處理工藝選型，針對純電動汽車換電鎖體機構的防腐性能進行設計，并通過零部件系統(tǒng)腐蝕試驗驗證和整車道路強化腐蝕試驗驗證，能夠滿足純電動汽車換電的使用要求。

通過本文純電動汽車換電機構防腐性能設計及驗證研究，建立了一套防腐性能優(yōu)異、耐久性能穩(wěn)定可靠的換電機構和一套驗證換電機構可靠的防腐性能試驗方案，支撐純電動換電汽車的發(fā)展。