电动汽车动力电池模块的先期维修性设计

2013-03-01王达华张文广

汽车电器 2013年5期

王达华，张文广

（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804）

本文中的电动汽车主要指以锂离子电池输出的电力为新增动力来源的新能源汽车，具体形式有油电混合或者纯电动两种。电动汽车是中国乃至世界汽车市场发展的一个现状和趋势，但电动汽车在市场试推广过程中给大众留下的 “娇贵”印象及易损、难修、不安全等种种因素制约着它的快速发展。动力电池模块属于新能源汽车核心关键零部件，在整车成本中占极大比重，客户担心购买一辆新能源汽车后，一旦出现故障或事故造成该部分的维修，会带来很高的维修成本。

下面是2种典型新能源车型推广而采取的保修方案。

1）雪弗兰Volt，GM给出了8年或者10万英里的质保期，使得消费者能够放心使用，把维修的风险降低。

2）瑞典政府则采用租用动力电池模块的方式，消费者仅仅有整车的维修需要考虑，对于电池组则没有任何疑虑，如果动力电池模块本身品质出现问题，那么直接到指定地点更换，租借的形式可以完全由厂家来控制，如果电池状态（SOC）较好，完全可以继续交由客户持续使用。

这2种方式都能够推广：①延长质保期，增加消费者对该产品信心；②把电池组单独作为非卖品，以租代售，降低消费者风险。

可以看出，电动汽车的推广者制定这些措施方案已经考虑到一部分售后维修的因素。但是这些方案都是 “治标不治本”，没有从根本上解决动力电池模块维修的问题，仅仅是将维修成本转嫁了。特别是纯电动汽车，汽车中锂电池的好坏与续驶里程有直接关系，当锂电池组的一部分因为个别锂电池缺陷而导致整体电量存储无法满足客户对续驶里程的需求，而此时并非所有的锂电池组达到报废标准，仍拥有可使用的价值。如果产生碰撞或者漏液，锂电池组中的一部分损坏，必须全部加以更换。因此，要想从根本上解决维修成本问题，必须在设计之初予以考虑，研究动力电池模块的先期维修性设计。

1 先期维修性设计经验

汽车先期维修性也就是在设计之初售后工程就参与其中，根据多重考虑因素，使设计在满足性能达标的同时也要注重售后维修的合理设计，这是体现同步工程的重要环节。车辆设计中加入先期维修性设计理念能够使得车辆的保养和维修成本有很好的经济性，能够使消费者建立对该车辆或品牌的信任感。另外，良好的维修性可以使车主的车辆具有很高的转售价值，能够使主机厂OEM具有很好的市场链。

产品满足要求的先期维修性设计有以下几方面考虑因素。

1）诊断性能零部件特别是电器相关零部件在设计时，需要保证诊断性能，即售后维修时对电器部件故障诊断的迅速、准确性，良好的诊断设计能够使客户 “一次”完成故障原因的定位。

2）避免使用专用工具零部件的维修尽量多地使用常用工具或设备。维修专用工具的购买将使维修站该方面成本投入转嫁到消费者身上。

3）简化保养操作零部件尽量设计成不需要客户进行保养。如必须保养，应该避免拆卸主要部件，设计简化的保养步骤。

4）降低维修零件成本如果总成零件的单个成本较高，并存在损坏风险，则一般在设计中将易损部分进行单独可拆卸设计。

5）避免特殊的安装、运输、处理要求零部件在设计时要尽量避免产生特殊的处理要求，如对安装、运输等模块的使用时，如果不经过某过程处理会产生某些特定的风险。

6）缩短维修工时进行的维修工作时间越少，客户的成本就越低。

7）贵重零部件的保护设计贵重零部件应设计安装在最不容易被损坏的部位，降低保险成本。关键子零件安装位置有良好的进出空间，便于售后维修。

2 模块结构及维修特点

2.1 内部结构及功能

根据功能不同，电动汽车动力电池模块一般都包含锂电池组、电池管理模块、电池冷却回路、保护装置等部件。动力电池内部结构见图1。

1）动力锂电池组本公司锂电池是以磷酸铁锂为主要成分的，锂电池单体一般3.3V左右，各锂电池单体通过串联或者串并联方式输出120～300 V左右不等的直流电压。

2）电池管理模块包含对电池状态的管理程序，以监控电池各个单体或单独模块的温度、电压，调节电平衡等。

3）电池组冷却回路当前设计中有两种冷却方式：风冷或水冷，对应在动力电池模块内部的冷却回路一般指冷却风道或冷却液回路。

4）保护装置包含安全断开开关、大容量熔断丝，是用来保护锂电池组或者其他电子电器设备、防止触电风险等。

5）其他部件包括线束和一些紧固件，用来固定上述各个部件，并将各部分连接用来通电或者通信。

2.2 维修特性分析

根据传统车上各个零部件的维修经验，针对动力电池模块有两种方案，一种是像发动机零部件一样进行设计分解，这样似乎可以在很大程度上降低维修成本。但是也遇到诸多的问题。

1）锂电池组结构复杂，且危险性较高。若打开外壳，维修人员将直接面对内部高压电池，以本公司的电动汽车为例，中混汽车的动力电池的直流电压可达到120 V；强混动力电池汽车、纯电动汽车的输出达到300多伏。随着电动车中电池组所占动力驱动比例的增加，其输出电压越高，危险性也越大。

2）同一个动力电池模块内部各个锂电池组之间也无法如普通零件一样随便替换。如果加入一节新模块而旧模块仍在使用，不仅会对电池的使用寿命造成影响，也影响电池组之间的平衡。

3）维修设备及人员需求严格。本公司的强混汽车的动力电池模块，除了上面说的高压的原因，在当前的设计中其防水防尘等级要求是IP67，需要专业的设备及人员才能进行维修操作。

另一种则是采用总成更换的策略，如果判断是电池的故障，则交由维修站直接进行总成更换。保证了消费者的权益，但是在意外碰撞或质保期之外，消费者的维修成本相当高昂。从中混汽车到纯电动汽车，动力电池占整车的成本从15%左右且不断增加，采用总成更换的维修方法几乎可以使所有消费者打退堂鼓。质保期内，主机厂或动力电池供应商负担较重，也不利于大面积推广。

3 模块维修性设计思路

虽然将动力电池模块整体更换比较方便，但是拆散更换的综合成本和市场因素，推广子零件维修是新能源汽车发展的必然趋势。因此，根据前文所述，对零件责任工程师的先期维修性设计经验提出了相应要求，其中以下几点必须针对拆散之后产生的实际状况做进一步的考虑。

1）诊断设计除了电池模块本身功能失效的诊断设计外，动力电池模块在拆散之后，其内部子零件增多，必须考虑要尽量对各个子零件的故障定义清晰。因此在动力电池模块设计之初，评估模块内部各子零件的潜在失效模式（DFMEA），根据各种失效形式设计对应诊断故障码（DTC）；同时提供一些可读参数并给出正常工作的有效阈值区间，这些参数用来帮助维修人员通过售后诊断设备读取和判断子零件的工作状态。例如：每个锂电池组定义为最小可维修电池组模块，对每个电池组的温度、电压、电流等进行监控，给定这些参数的合理范围，在超出规定范围的时候，即产生DTC；同时给出这些参数的诊断仪读取功能，以便维修人员实时判断。

2）替换性由于动力电池模块结构及程序的复杂性，内部有的子零件控制模块不能直接替换。例如：电池管理模块一方面包含用户的一些驾驶习惯，在用户使用过程中能够自学习，记录一些行车数据，车辆驾驶者的驾驶习惯；另一方面随着用户的使用，锂电池组的状态也随之发生一系列变化，动力控制模块能够根据电池的状态不断调整控制逻辑：锂电池性能随着使用时间逐步衰减，本质上产生变化的数据如电池的开路电压OCV、内部电阻IR、荷电状态SOC等被不断记录并存储。如果更换控制模块，则必须把旧的控制器中这些用户数据备份出来并复制到新的控制器中；如果更换其中一个锂电池组，则新锂电池组进入系统后，必须根据新更换锂电池组的数据调整控制器内部相应数据。当然，还必须设计出一种控制逻辑缺省模式，以防止原控制模块彻底损坏而无法备份数据，从而对电池损害程度降到最低。

3）易损件根据零部件测试试验及DFMEA的水平，评估出易损件信息。一些对电池的保护装置，如熔断丝、安全开关等，必须采用可更换、易拆卸的原则进行设计。例如：高压电池本身的密封性为IP67，易损件的拆卸较为频繁，因此，若将熔断丝、安全开关设计密封在外围单独区域，与内部其他零件隔离，将有助于降低维修这些易损件产生的影响。