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Tech Talk | 一枚螺栓可以坐拥多少“黑科技”?

Tech Talk | 一枚螺栓可以坐拥多少“黑科技”?

(小赵肖恩) 2022年02月09日

在工程师的分享开始前,首先有请网易热门科普IP——《答案如下》,为大家揭秘螺纹紧固件的前世今生:


12月10日,蔚来在国内的第700座换电站交付使用。不久前,作为全球首个换电站出口项目,蔚来在挪威完成了首座海外换电站的布局。从首座换电站上线至今,蔚来累计为用户提供超500万次换电服务,单日最高换电车次超20,000次。

20,000次满电出发,背后是超过20,000次的动力电池装卸动作,这对换电机构的可靠性、安全性、便利性是一项严峻考验。如此频繁的装卸,电池的紧固件扛得住吗?数百公斤的电池又是如何完成快速装卸的?

本期Tech Talk中,我们邀请到了蔚来整车工程紧固件工程师Miro.袁,和大家分享蔚来换电螺栓研发背后的故事。


在众多连接方案中,螺栓为何能脱颖而出?

连接电池和车身的换电机构是实现换电功能的重要基础,每一次的换电,都离不开这个关键机构。同时,电池和车身的连接又是重中之重,不能出现任何闪失;为此,工程团队在研发之初就从安全、质量、体验方向确立了三大原则:

依据这三个原则,工程团队明确了以下3个目标:

  1. 可靠性:整车在全生命周期内正常行驶,动力电池不出现松动,即使在横向/纵向50g(相当于受力物体所受重力50倍的力)的冲击下,电池也不会从车身脱离。

  2. 方便性:能在几分钟内完成换电。

  3. 耐久性:满足3000次安全装卸,实现百万公里的可靠换电。

对机械行业有一定了解的朋友应该会发现,这三个属性几乎是互相矛盾的——提高可靠性就必须拧紧,拧得越紧越影响下次的拆卸方便性;而提高拆卸方便性,则会影响可靠性,同时反复装卸也容易造成零件疲劳,降低耐久性。在大尺寸、大容量、大质量的电池包上,这组矛盾更为突出。为此,工程团队尝试了各种主流连接方案,如电磁继电器、插销结构、卡接结构等,甚至还研究了导弹连接装置(装夹结构)。

然而,在工业制造领域,越是简单的机械结构,往往越是可靠。在综合考虑了紧固性、可靠性、耐久性、布置空间、成本等因素后,螺栓结构最终成为换电紧固件研发的起点。

“荒诞”的想法如何实现?

许多创造性的发明都来源于一个“荒诞”的想法。用螺栓连接来实现数千次的电池快换也不例外。我们咨询了行业内多家著名的紧固件公司,很多专家听到要做一个可装卸几千次的螺栓结构,都认为这是不可能的。因为螺栓结构的特性就是紧固但不能反复使用,行业内能有二十次装卸的螺栓结构已经很了不起了,更何况几千次。

确定螺栓连接的方案后,首先需要明确电池包的连接点数量和位置,这与电池连接的安全性、换电耐久的可靠性以及效率密切相关,而这又需要先分析螺栓连接的受力情况。

螺栓连接的一般受力情况大致可分为轴向载荷、横向载荷、弯曲力矩、扭转力矩。如设计不合理,被夹零件会产生分离、翘起、滑移、松动等失效形式。

根据螺栓结构的受力分析,结合车身以及电池包的空间结构,工程团队初步设计了不同布置、不同规格的螺栓结构方案,并初步确定了预紧力。随后工程团队从强度、刚度、振动疲劳、滑移等方面进行多轮CAE(Computer Aided Engineering 计算机辅助工程)仿真测试,分析不同布置的螺栓结构在数十种工况下的受力状况。

通过多轮CAE仿真分析和理论计算相结合,兼顾空间布置要求,工程团队确定了螺栓结构的布置及规格方案——蔚来车辆的动力电池布置了8个M18和2个M10共10个螺栓,其中单颗M18螺栓就能达到3吨的锁紧力,更有效的确保动力电池和车身连接紧固。

为了让螺栓紧固性达到要求并尽可能延长寿命,我们从强度、硬度、涂层、摩擦系数等方面研究,根据螺栓的规格和夹紧力寻找一个合适的扭矩值。

首先,工程师们先从理论计算得出初步的拧紧扭矩。

在确定理论数值后,通过60万+次零部件级耐久试验的反复验证,工程团队得出了最平衡的扭矩值,并通过了10+次系统级振动冲击和6万+次整车级耐久测试,将螺栓的安全使用次数提高到了3,000次这一突破性的数值。

怎么让螺栓更好的松紧自如?

为了进一步加强紧固性和安全性,工程团队为换电螺栓独创了双保险——防松机构

通过研究楔形、弹垫、双螺母、止动垫圈等机械结构摩擦防松的方式,并经过不断的验证和迭代,反向螺纹的齿圈结构被应用于换电螺栓,将其尾部牢牢卡住。当螺栓发生松动时,反向螺纹的齿圈会反向锁住,让螺栓和螺母紧固在一起。

为了更好的吸收和消除不同车身、不同电池包及不同换电站之间的公差,使螺栓和螺母的匹配更加顺利,螺母同样采用了创新结构——螺母四周被预留出±4mm的浮动空间,使得换电过程中可以更好的匹配不同螺栓的位置;而当换电完成时,换电完成时,浮动螺母也牢牢的锁紧。

Bayobolt,更紧固、更可靠

颠覆行业的理念、对突破极限的坚持,这就是我们思考和努力,我们也给这项技术起了一个好听的名字,Bayobolt——由Bayonet(刺刀)的前半部分Bayo与Bolt(螺栓)组合而成,寓意这枚换电螺栓像刺刀一样灵巧、准确、坚固、可靠。

从首座换电站亮相到BaaS电池租用服务上线,再到电池灵活升级计划推出,这一切的基础,就是换电。而换电的核心物理基础之一,就是Bayobolt。底层基础决定上层建筑,更多的研发,尤其是基础技术的创新和突破,才能带来更好的产品和体验。

时至今日,蔚来在全球累计拥有专利及专利申请超过4,400项,其中换电相关专利超1,400项。我们会继续不断在创新和研发上努力,为用户带来更好的产品和体验。


关于蔚来换电技术的“黑科技”,你还想了解哪些技术?欢迎在评论区留言,我们将对大家集中关注的话题邀请工程师做后续分享。更多硬核知识,请持续关注Tech Talk。