王達華，張文廣

（上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

本文中的電動汽車主要指以鋰離子電池輸出的電力為新增動力來源的新能源汽車，具體形式有油電混合或者純電動兩種。電動汽車是中國乃至世界汽車市場發(fā)展的一個現(xiàn)狀和趨勢，但電動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，使得消費者能夠放心使用，把維修的風(fēng)險降低。

2）瑞典政府則采用租用動力電池模塊的方式，消費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，如果動力電池模塊本身品質(zhì)出現(xiàn)問題，那么直接到指定地點更換，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，增加消費者對該產(chǎn)品信心；②把電池組單獨作為非賣品，以租代售，降低消費者風(fēng)險。

可以看出，電動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為個別鋰電池缺陷而導(dǎo)致整體電量存儲無法滿足客戶對續(xù)駛里程的需求，而此時并非所有的鋰電池組達到報廢標(biāo)準(zhǔn)，仍擁有可使用的價值。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)計之初予以考慮，研究動力電池模塊的先期維修性設(shè)計。

1 先期維修性設(shè)計經(jīng)驗

汽車先期維修性也就是在設(shè)計之初售后工程就參與其中，根據(jù)多重考慮因素，使設(shè)計在滿足性能達標(biāo)的同時也要注重售后維修的合理設(shè)計，這是體現(xiàn)同步工程的重要環(huán)節(jié)。車輛設(shè)計中加入先期維修性設(shè)計理念能夠使得車輛的保養(yǎng)和維修成本有很好的經(jīng)濟性，能夠使消費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)售價值，能夠使主機廠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)計時，需要保證診斷性能，即售后維修時對電器部件故障診斷的迅速、準(zhǔn)確性，良好的診斷設(shè)計能夠使客戶 “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)嫁到消費者身上。

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

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

5）避免特殊的安裝、運輸、處理要求 零部件在設(shè)計時要盡量避免產(chǎn)生特殊的處理要求，如對安裝、運輸?shù)饶K的使用時，如果不經(jīng)過某過程處理會產(chǎn)生某些特定的風(fēng)險。

6）縮短維修工時 進行的維修工作時間越少，客戶的成本就越低。

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

2 模塊結(jié)構(gòu)及維修特點

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能

根據(jù)功能不同，電動汽車動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、保護裝置等部件。動力電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

1）動力鋰電池組 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)控電池各個單體或單獨模塊的溫度、電壓，調(diào)節(jié)電平衡等。

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

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

5）其他部件 包括線束和一些緊固件，用來固定上述各個部件，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)車上各個零部件的維修經(jīng)驗，針對動力電池模塊有兩種方案，一種是像發(fā)動機零部件一樣進行設(shè)計分解，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，以本公司的電動汽車為例，中混汽車的動力電池的直流電壓可達到120 V；強混動力電池汽車、純電動汽車的輸出達到300多伏。隨著電動車中電池組所占動力驅(qū)動比例的增加，其輸出電壓越高，危險性也越大。

2）同一個動力電池模塊內(nèi)部各個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。本公司的強混汽車的動力電池模塊，除了上面說的高壓的原因，在當(dāng)前的設(shè)計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行總成更換。保證了消費者的權(quán)益，但是在意外碰撞或質(zhì)保期之外，消費者的維修成本相當(dāng)高昂。從中混汽車到純電動汽車，動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者打退堂鼓。質(zhì)保期內(nèi)，主機廠或動力電池供應(yīng)商負擔(dān)較重，也不利于大面積推廣。

3 模塊維修性設(shè)計思路

雖然將動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)計經(jīng)驗提出了相應(yīng)要求，其中以下幾點必須針對拆散之后產(chǎn)生的實際狀況做進一步的考慮。

1）診斷設(shè)計 除了電池模塊本身功能失效的診斷設(shè)計外，動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子零件的故障定義清晰。因此在動力電池模塊設(shè)計之初，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)計對應(yīng)診斷故障碼 （DTC）；同時提供一些可讀參數(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：每個鋰電池組定義為最小可維修電池組模塊，對每個電池組的溫度、電壓、電流等進行監(jiān)控，給定這些參數(shù)的合理范圍，在超出規(guī)定范圍的時候，即產(chǎn)生DTC；同時給出這些參數(shù)的診斷儀讀取功能，以便維修人員實時判斷。

2）替換性 由于動力電池模塊結(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。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；如果更換其中一個鋰電池組，則新鋰電池組進入系統(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)，從而對電池損害程度降到最低。

3）易損件 根據(jù)零部件測試試驗及DFMEA的水平，評估出易損件信息。一些對電池的保護裝置，如熔斷絲、安全開關(guān)等，必須采用可更換、易拆卸的原則進行設(shè)計。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)計密封在外圍單獨區(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)

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