徐　昱，蒋燕萍，郑正仙，张鹏飞，徐烨玲

（1．国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，杭州　310009；2．杭州大有科技发展有限公司，杭州　310052）

0　引言

电动汽车使用蓄电池作为动力来源，运行过程没有尾气排放，且噪声小、能源转化率高，与传统汽车相比，具有突出的环保优势[1-2]。而蓄电池作为电动汽车的主要能量载体和动力来源，其运行安全性直接关系乘客的生命财产安全，也是提高电动汽车市场化和商业化的关键因素之一[3-6]。

北京、杭州、深圳等地较早将电动汽车投入到出租车运营市场中[7-8]。国网杭州供电公司运营的电动出租车采用换电模式：在充换电站内将动力电池充满，然后采用换电设备将动力电池换到电动汽车上，以解决车辆续航里程短的问题；另外，动力电池经一定使用次数后，根据实际使用情况进行维护。换电模式的电动汽车还参与了国家电网公司苏沪杭城际互联工程[9-10]。

以下从某例维护过程中发现的电动汽车动力电池电芯极耳断裂等现象出发，分析了其中的几个主要原因，并有针对性地提出解决措施。这些措施有效地提升了杭州换电型电动汽车动力电池使用的可靠性。

1　某例动力电池电芯极耳断裂分析

在维护过程中，充换电设施运维人员发现所维护的某箱动力电池有电芯极耳断裂的现象，还伴随着电池箱体变形、导向柱弯曲等特点。此种电池如果后期继续使用，将严重危害车辆和人员的安全，所以对电池故障进行分析显得非常重要。

1.1　动力电池箱体强度

随着电动汽车的快速发展，对电动乘用车动力电池制造技术要求也越来越高，动力电池箱作为电动汽车动力电池电芯主要承载装置，其设计和结构稳定性直接影响动力电池的寿命和续航性能[11-13]。

电动乘用车动力电池在行驶过程中，受到来自路面的随机颠簸外力，其箱体结构必须有足够的强度和刚度以保证其疲劳寿命和保证其装配与使用要求，进而保证电池箱在车辆行驶时不会因反复间隙碰撞而发生形变，箱体一旦形变，内部电芯受到相应的挤压，形成应力集中进而影响电池一致性和电池使用寿命。除了应有的机械强度，电池箱体必须满足专用电气箱体设备外部防护等级的设计要求，起到防尘、防水，保证电芯稳定运行。

旧电池箱整体采用金属铝板材，内部只有少量玻璃化布板，中间没有纵向隔板，因此，防撞能力有限。在经过电池箱撞击试验后发现，该电池箱在经过反复多次撞击之后，横向隔板都有不同程度的变形，甚至有的隔板已经脱开焊点，严重影响降低了电池箱体对电池包防护性能。由此可见，在电池随车颠簸的情况下，旧电池箱存在安全隐患，电池箱的整体防护等级需要进一步提高。

1.2　人工换电作业

电池在换电模式下，需要人工对动力电池进行更换。在杭州，换电型电动汽车换电过程如下：工作人员先将满电电池从电池充电架上取下放于移栽车的托盘上，通过移栽车行驶到需要换电的电动汽车后备箱附近，再将待充电池从电动汽车后座下面的电池总成架内拉出放入另一辆移栽车托盘上，最后将满电电池推入电池总成架内。由于电动汽车电池舱与车底座有22°斜坡，通过人力很难控制电池自由下滑速度，将重约65 kg电池推入电池总成架内时，离电池插入接插口还有一段距离，电池由于重力下滑产生一定的冲击力，对电池总成架内接插件造成撞击，反复多次后极易导致电池导向柱弯曲变形，发生拉弧现象，电池箱内的电芯也承受了撞击应力。另外，电池搬运需要工作人员用手直接在电池箱体上进行接触操作，在这过程中存在较大的安全隐患。

1.3　电动汽车运行过程

由于电动汽车在行驶过程中会有较大的振动、冲击，这对电动汽车内部的设备、元件都提出了较高的要求，特别是作为电动汽车动力的电池，由于快换模式的电池箱体不是完全固定在电动汽车上，因此，电动汽车电池位置稳定性对供电的可靠性有着重要作用。但在现有技术中，电池箱与供电端口直接连接，在汽车车身振动下，电池箱与供电端口的连接会不稳定，从而导致运行过程中动力突然中断，发生事故。这主要是因为汽车在急转和颠簸时，电池箱突然受到猛烈振动，车载接插件接口与电池箱插头相对位移过大甚至脱离，导致电池拉弧或动力中断。

2　采取的主要措施

通过对以上3个方面的分析和考虑，为保证电池安全使用，制定了以下措施。

2.1　动力电池箱强化

新型电动汽车动力电池箱是在原有技术的基础上作优化设计，强化箱体内部结构以提升电池箱的强度，使电池箱给电芯提供牢固的保护和支持，防止电芯因位移过大而影响极耳连接，发生安全事故。其结构设计如图1所示[14]。

图1　改进后动力电池箱体结构

改进后的动力电池箱体仍由箱体上盖、箱体、拉手、隔板、压板等主要部分组成。电池箱尺寸仍然不变，箱体主体材料采用304不锈钢，替代原铝合金材质。结构设计上增加了304不锈钢材质的横向和纵向隔板，以提升箱体防撞能力。将电芯装入箱体后，为紧固电芯，设计中采用了电芯压板，压板采用阻燃ABS加玻纤的方式，既提高了阻燃等级，又能够保证其硬度，不会由于电芯振动导致压板拱起，能够极大的减弱电池振动时电芯之间连接的应力。

原电池箱靠近插头部分只有1块1.5 mm厚铝板，作为固定电池管理系统使用，当受到冲击时，该铝板不能有效地阻止后面电芯的冲击，导致铝板脱焊。加强型电池箱设计时，在接插件与挡板的空余处增加1块3 mm厚高强度U型板，以达到承载后部的冲击力作用。在电池向接插件方向运动时，电池箱体对U型板有一作用力，从而U型板对电池隔板也有一个作用力，这个力与电池对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，使电池横向隔板受力减小。该高强度U型板受力分析情况如图2所示。

图2　高强度U型挡板受力分析

为验证电池箱强度提升效果，模拟换电作业工况，设计电池冲击试验台，并进行对比测试。试验台如图3所示[15]。

图3　电池冲击试验台的侧视结构

试验台包括弧形调位支架、行程支架、提升装置、电控箱、离合器和连接绳索等。通过转动行程支架和调节行程开关调节与水平面夹角，控制机构内PLC（可编程逻辑控制器）控制电动机拉起电池，当行程支架触发限位开关时停止动作，再利用电离合器瞬间脱开电池，使电池沿斜面自由滑落，模拟电动汽车换电池动作，实现对电池的冲击试验。

首先使用某新型电池箱体进行试验，每碰撞50次进行人工观察、拍照方式记录测试结果，经过1天的试验，碰撞次数达到1 000次，将电池箱体拆开后观察箱体内隔板等材料，隔板有轻微变形，电池箱体达到设计要求。而后将同样配重物放入对应原电池箱隔板仓内进行同样测试，在第1个50次碰撞后，箱体隔板已发生了严重的形变，后又进行了20次碰撞，箱体内部隔板变形严重，停止继续测试。由此可见通过优化设计，电池箱体防撞能力得到显著提升。

2.2　电池拣选机研发

由于重力作用，一箱质量约65 kg的动力电池将以一定加速度沿电池舱斜面下滑，最后造成对车辆和接插件的正面撞击。为减少电池换电时接插件的撞击和提升人员换电安全性，设计了一种能控制电池箱匀速下滑的换电设备，叫做电池拣选机，它通过电机控制电池拉手，平衡电池下滑分力，从而有效减少电池对电池总成架的撞击作用力。电池拣选机外观结构如图4所示[16]。

图4　电池拣选机

电池拣选机主要包括安全装置、行驶驱动部件、制动系统、转向系统、操作和显示元件、液压系统、电气系统及相关机械部件，具有安全可靠、简单易学、使用方便等优点。

当需对电动汽车进行换电时，先由电池拣选机的电池拉手与电池箱的扣手卡合，将电池从电池充电架上取下，放于托盘上。然后由工作人员驾驶电池拣选机至待换电的电动汽车旁，通过调节俯仰装置角度，将电池托盘与电动汽车电池舱体对齐，方便电池拉手将电池推至车内电池舱位。

电池拣选机不但适用于电池搬运和拣选，也可以完成动力电池的堆垛与卸垛工作，另外通过俯仰组件调节托盘倾斜角，使得电池拣选机不仅适用于水平安装的电池取放，还适用于倾斜安装的电池取放。1辆电池拣选机设计有4个电池拉手，可以同时完成4节电池的换电工作。仅该步骤与人工换电相比就减少75%的换电工时，在保障人员安全的同时大大提高换电工作效率。

2.3　电池总成架改进

车辆在行驶途中不可避免会出现上下颠簸，电池箱体在动力舱内亦会随之上下振动。为了降低电池振动幅度，防止电池在猛烈振动情况下从电池舱内滑出，在电动汽车后备箱内设置电池总成架，用于放置车载电池组。原电池总成架的结构如图5所示。

图5　原电池总成架

原电池总成架主要由电池限位隔板、锁紧机构和滚轴等部件组成。侧板和隔板未安装滚轴，只在底板安装普通滚轴。

为降低电池箱在舱内的磨损，对原电池总成架进行了仓内防磨损化技术处理：电池总成架末端设置缓冲块，隔板和侧板上安装滚轴，底板上的普通滚轴换成阻尼滚轴等。新结构电池总成架如图6所示[17]。

缓冲块由聚氨酯等材料制成，具有一定弹性和耐磨功能，可以起到减振缓冲作用，通过缓冲块电池箱到达背板时的冲击力小很多。侧面滚轴表面涂覆缓冲层，电池在滚轴上滑动时，瞬间冲量所造成的冲击大部分将会被缓冲层吸收，从而大幅减少滚轴对电池侧表面的磨损，提高了电池的使用寿命，延长了更换周期。当电池箱经过阻尼滚轴时，由于滚轴的单向轴承性，阻尼则开始作用电池箱，通过阻尼轴承内的内轴和外轴的相对转动，能够有效阻碍电池的下滑行程，从而使电池从电池总成架内滑动的时候，速度不至于过快，避免造成意外损害。另外，通过总成架底板、侧板、隔板和顶板来限制电池的自由度，通过压杆紧压电池，使其无法脱离，保证电池与供电端口的连接稳定。

图6　新结构电池总成架

3　结语

电动汽车的电池安全性一直是市场关注的焦点，而换电型电动汽车的安全还涉及人工换电环节，所以需要全方位考虑才能保证动力电池的使用安全性。在此提出对动力电池箱内部、换电设备以及电池总成架进行优化设计，使得电池箱体不会因为长期使用发生内/外部形态变化，保证电池安全。以上优化方案均得到应用：由电池组装单位对电池箱进行了强化后重组，电动出租车运营单位对研发的匀速换电设备进行了试用，电动出租车生产单位则对电池总成架进行了全面的升级。从后期的电池维护情况来看，电池使用可靠性得到明显提升，电动汽车的安全性得到加强。