付紅圣，隆 橋，羅鈞鼎

(上海蔚來汽車有限公司，上海 201800)

0 引言

隨著電動汽車產(chǎn)量和保有量不斷增加，電動汽車補能成了業(yè)內(nèi)的難題。電動汽車的能源供給形式主要包含2類：充電模式和換電模式。相對于傳統(tǒng)的充電模式，換電模式可以使電動汽車不必搭載太多電量的電池，甚至允許用戶只購買車殼，大大降低了用戶的購買成本。此外換電模式還具有更高效、更快捷等優(yōu)點[1]。截止2020年11月，全國已建成535座換電站，并預計在2025年全國建成超過9000座換電站[2]。充電倉作為換電站的核心組件，是電池充電、存貯、轉(zhuǎn)運的重要場所。廠家和消費者對充電倉的關(guān)注點主要集中在安全、換電時間、容量(同時充電數(shù))、自動化無人值守等方面。充電倉作為一個高度機械化的部件，當出現(xiàn)尺寸類問題，例如電池尺寸超標導致卡滯，會造成顧客等待時間長甚至換電站停用等風險，對安全、自動化無人值守也帶來了非常大的不穩(wěn)定因素。因此在換電站設(shè)計前期，結(jié)合空間布置，存取方式，零部件定位策略，電池的互換性、功能需求等方面，進行系統(tǒng)化的尺寸分析和設(shè)計，可提前有效規(guī)避和降低換電站尺寸問題的發(fā)生，提高換電站的經(jīng)濟價值和服務(wù)質(zhì)量。

1 充電倉裝配性校核意義

傳統(tǒng)的汽車功能件裝配性校核覆蓋產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、零部件制造、質(zhì)量保證和裝配的全過程，根據(jù)性能目標和計算結(jié)果延伸并影響到零件的模具設(shè)計、夾具設(shè)計、檢具設(shè)計和測量設(shè)計等[3]。換電站充電倉的裝配性分析與之大體相同，但也有部分差異：一般汽車零部件彼此之間的配合為一次，而換電站卻要求電池適配不同的換電站，換電站也要能兼容所有適用的電池，即對零部件互換性有更高的要求。充電倉的關(guān)鍵尺寸功能主要有兩點：第一是不同的電池是否都能進入不同的充電倉位，不發(fā)生卡滯，滿足互換性要求；第二是電池進入充電倉位后，既定的定位策略和容差結(jié)構(gòu)能否讓冷卻液插頭和電插頭(下文簡稱水電插頭)準確插入電池上對應(yīng)的插座上。本文主要基于這兩點進行尺寸分析應(yīng)用介紹。

2 換電站充電倉定位策略

尺寸分析的基礎(chǔ)是先確定分析對象的定位策略。換電站充電倉定位策略基于多個維度進行制定，如換電站整體空間、電池倉容量、零部件的精度水平、容差機構(gòu)及容差大小、可接受失效率、成本等。尤其是空間、電池容量大小對定位策略的制動起了決定性的作用?，F(xiàn)基于某換電站的相關(guān)輸入：

1.空間：底面積為兩個標準車位，高度與標準集裝箱等高；

2.電池容量：1X塊；

3.容差結(jié)構(gòu)的容差量：+/-X mm；

4.可接受失效率：0.0X%；

5.成本：XX萬；

……

圖1 充電倉電池定位策略

上述輸入制定后，最考驗的是空間布置，需要在較小的空間下布置1X塊電池，對空間結(jié)構(gòu)的要求非常苛刻，經(jīng)過綜合評估和判斷，確定了導軌定位的策略，如圖1所示：電池通過電池下方的兩條電動滑鏈(定位Z向，限制3個自由度)傳動進入充電倉位(兩個的導軌共同定位X向，限制2個自由度)，內(nèi)側(cè)的兩個限位塊進行橫向限位(定位Y向，限制1個自由度)。之后電插頭和冷卻水插頭落下進行充電和冷卻液恒溫，水電插頭圓圈代表充電倉內(nèi)電插頭和冷卻液插頭位置，方圈代表電池上對應(yīng)的插座位置。

基于確認的定位策略，下一步需要分析容差結(jié)構(gòu)、零件公差、水電插頭裝配等是否能滿足上述充電倉的關(guān)鍵尺寸功能。

3 分析電池進倉卡滯風險

電池進入充電倉如圖2所示，此時的關(guān)鍵尺寸就是電池長度尺寸和充電倉導軌間距尺寸，如果電池長度大于導軌間距，即會發(fā)生電池卡滯落不到位的問題。但也不能將電池導軌間距設(shè)計得過長，否則電池在倉內(nèi)旋轉(zhuǎn)，影響水電插頭與電池匹配，故需要保證進倉的前提下，盡量收縮小電池和倉配合的間隙。

圖2 電池進倉示意

現(xiàn)有電池的初始長度公差2XX3+/-4 mm(公差值已做替換，非公司原始值，下同)，導軌間距的初始設(shè)計值是2XX6+/-1 mm，我們需要知道初始設(shè)計狀態(tài)是否存在電池干涉問題，如果有，概率是多少，以便進行風險評估和優(yōu)化措施制定。此類計算主要有以下兩種方法。

3.1 概率分布函數(shù)法(一維尺寸鏈)

x0.000.010.020.030.040.050.060.070.080.092.10.98210.98260.98300.98340.98380.98420.98460.98500.98540.9857

為了簡化計算操作、提高效率和可視化，絕大部分汽車主機廠會采用一維尺寸鏈計算表進行快速計算(如圖4)。

圖4 一維尺寸鏈計算表

該表主要運用了Excel函數(shù)NORMDIST等命令返回標準正態(tài)分布，繼而得到計算結(jié)果和正態(tài)分布可視化圖形。根據(jù)上段定義電池長度X小于導軌Y的概率為X-Y<0，將電池長度上下極限代入電池Nominal值2XX3，+/-3σ?guī)?/-4，導軌間距上下極限帶負數(shù)2XX6，+/-3σ?guī)?/-1，公差目標下極限為閾值-10，上極限為0，填入表格后可快速計算出合格率為98.548%，與采用查表結(jié)果基本一致，但效率更高，計算結(jié)果也更便于保存。

3.2 3DCS三維模型建模法

3DCS是基于蒙特卡洛(Monte Carlo)算法進行公差模擬分析，采用隨機模擬和統(tǒng)計試驗的方法求解，用該方法得到的結(jié)果比較符合實際生產(chǎn)情況[5]。

利用3DCS計算此干涉風險的步驟是：

第一步：在3D數(shù)模中將電池和導軌的定位點創(chuàng)建2×4個虛擬點(如圖5)，虛擬點pt1～pt4代表電池的匹配點，pt1′～pt4′代表導軌對應(yīng)的點；

第二步：根據(jù)圖紙的公差定義，對上一步建立的8個虛擬點進行公差賦值；

圖5 電池、導軌建點方式

第三步：創(chuàng)建測量，首先創(chuàng)建4個基礎(chǔ)測量，分別是電池后部外側(cè)端點至前部端面的長度，再采用軟件中的User DLL模塊“dcsMeasEq”，自定義對基礎(chǔ)測量項進行相應(yīng)的數(shù)學計算，最后統(tǒng)計導軌外側(cè)和內(nèi)側(cè)不能同時大于電池對應(yīng)長度的概率即為超差概率，運行10000次，結(jié)果如圖6所示，超差率為1.82%。

圖6 3DCS進倉干涉仿真結(jié)果

根據(jù)3DCS的計算結(jié)果，存在1.82%的電池尺寸大于充電倉的概率，根據(jù)換電站每天滿負荷上百次的換電次數(shù)，顯然此種狀態(tài)是不能接受的，根據(jù)團隊頭腦風暴，選擇了將電池長度和導軌間距公差分別優(yōu)化至2XX2+/-2和2XX4.5+/-0.5，將優(yōu)化后的公差用同樣方法帶入3DCS驗算得到的超差概率降低至圖7所示的0.02%，風險可控。

圖7 結(jié)果優(yōu)化后

3.3 兩種方法對比小結(jié)

第一種概率分布函數(shù)法將電池尺寸和導軌尺寸在計算前已做最大最小處理，各當作一個參數(shù)進行線性計算，是一種簡化處理方式，采用基于此方法的一維尺寸鏈計算表易上手，在需要快速定性判斷問題時，推薦采用此方法。

第二種3DCS軟件分析方法，仿真程度最強，采用蒙特卡洛算法的偏差運算更接近實物狀態(tài)，結(jié)果更加可信。電池倉考慮到旋轉(zhuǎn)、平移及多目標，采用三維建模更加可靠。但由于需要較長的模型搭建時間，且對建模人員有較高的技術(shù)要求，故推薦在預測有一定風險或需要進行方案驗證時采用。

4 水電插頭裝配性分析

電池進入充電倉位后，還需要進行充電，在進行充電操作前，必須保證水電插頭能正常插入到電池對應(yīng)的插座上，如圖8所示，尺寸偏差太大，容差系統(tǒng)不足，會造成系統(tǒng)報錯、無法充電的問題，將直接影響換電站的運行效率，故需要提前進行此功能區(qū)域的裝配性分析。

圖8 電池水電插頭插座示意

圖9 充電倉內(nèi)實際位置示意

基于既定的定位策略及現(xiàn)場調(diào)研，我們確認了電池在倉內(nèi)的位置為圖9所示兩種。

CASE1和CASE2兩種狀態(tài)分別代表電池在倉內(nèi)真實存在的順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)下的姿態(tài)，兩種姿態(tài)下會分別跟前部、后部的Y向限位塊接觸。接下來就需要基于3DCS對兩種姿態(tài)下的水電插頭裝配性進行分析。

第一步：根據(jù)定位策略與測量要求在對應(yīng)的零件上建立DCS點，并賦公差；

第二步：新建兩個緊貼導軌虛擬夾具，此夾具的作用是讓電池在倉內(nèi)可以均勻旋轉(zhuǎn)，虛擬夾具為4個裝配點，分別是單側(cè)電池和導軌匹配點的位置；

第三步：創(chuàng)建Move。

1)用six plane命令(如圖10)，將電池裝配至滑鏈、一側(cè)的導軌夾具和限位塊上；

圖10 six plane move示意圖

2)用iteration命令中的旋轉(zhuǎn)迭代功能，將電池以O(shè)點為圓心進行順時針旋轉(zhuǎn)，停止條件是電池A點與左側(cè)導軌接觸(模型輸入間隙值≤0.01 mm)；

3)用iteration命令中的平移迭代功能，將電池包向下進行整體平移，停止條件是電池B點與限位塊間隙接觸(模型輸入間隙值≤0.01 mm)；操作以上Move，即可實現(xiàn)電池包的CASE1狀態(tài)的模擬，CASE2狀態(tài)的搭接操作對稱即可；

第四步：建模測量，包含迭代Move需要的過程測量和最終需要的水電插頭裝配性測量，其公差值取決于水電插頭部件的容差吸收量，既定的為+/-X mm。

以上步驟完成后，進行10000次虛擬裝配，得到以下仿真測量結(jié)果(圖11)。

圖11 水電插頭裝配性計算結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以看到，6.79%的超差率對于換電站的0.0X%的可接受失效率要求來說是不能接受的。針對存在的風險，經(jīng)過團隊頭腦風暴討論優(yōu)化方案。

方案一：將充電座進行多方向的隨型裝配，X向與電池前部的面進行貼合靠攏，Y向?qū)㈦姵刈笥覀?cè)進行對中，虛擬驗證得到超差率為0.00%，見圖12。

圖12 方案一：XY隨型機構(gòu)計算結(jié)果

方案二：倉內(nèi)的水電支架增加Y向?qū)χ袡C構(gòu)，吸收電池旋轉(zhuǎn)導致的電池水電插座的位置偏差。帶入模型進行驗證，超差率為0.37%，見圖13。

圖13 方案二：Y向?qū)χ薪Y(jié)構(gòu)計算結(jié)果

方案三：在不大幅增加成本的情況下增加水電插頭的容差吸收能力，從+/-X到+/-(X+1)mm。帶入模型進行驗證，結(jié)果如圖14，超差率2.38%。

圖14 方案三：增加容差吸收能力計算結(jié)果

方案四：結(jié)合方案二和方案三，倉內(nèi)的水電支架增加Y向?qū)χ袡C構(gòu)，并適當增加容差量。帶入模型進行驗證，結(jié)果如圖15，超差率0.02%。

圖15 方案四：對中結(jié)構(gòu)和增加容差結(jié)果

綜合評估四個方案：

方案一能夠100%滿足裝配要求，原理是降低尺寸鏈數(shù)量，采用局部裝配，對電池在倉內(nèi)的姿態(tài)要求極低，可以減少電池與導軌公差，是一種最優(yōu)的尺寸優(yōu)化手段。但此方案需要較大的空間布置，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求很高，容易產(chǎn)生其他的失效模式，并將大幅提高換電站成本，綜合評估，暫不推薦。

方案二是簡化版的方案一，對機構(gòu)的要求降低，且基本可以滿足現(xiàn)有空間的布置，但超差率為0.37%，不滿足0.0X%的可接受失效率。

方案三單純增加容差吸收能力，也是一種尺寸控制手段，但超差率為2.38%，不滿足0.0X%的可接受失效率。

方案四是方案二和方案三的結(jié)合，超差率為0.02%，滿足0.0X%的可接受失效率。

綜合對比評估后，方案四對于換電站充電倉的綜合收益更大，更值得采用。

5 結(jié)語

本文結(jié)合正態(tài)分布、3DCS等尺寸偏差分析工具，對電池包在換電站充電倉進倉過程、進倉后姿態(tài)進行準確的分析和有效的優(yōu)化整改，其潛在風險點在換電站設(shè)計前期得以規(guī)避解決，更高效、更精準地推動換電站充電倉的設(shè)計。

隨著智能電動汽車的普及，各大傳統(tǒng)主機廠和新勢力公司對換電的需求越來越大，換電站的推廣和穩(wěn)定運營離不開基本的尺寸理念和思考。