蔚来换电螺栓（小螺栓，大知识）

2022年1月2日 浏览：1931 收藏：2

今天，EV汽车邦给大家推荐蔚来换电螺栓研发背后的故事，包括：为什么从众多结构中选择了螺栓方案？如何设定螺栓的各种参数（包括怎么分布、拧多紧）以及用哪些设计让螺栓更稳固？


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。

蔚来换电螺栓（小螺栓，大知识）的图1

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。
蔚来换电螺栓（小螺栓，大知识）的图2


蔚来换电螺栓（小螺栓，大知识）的图3
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：
蔚来换电螺栓（小螺栓，大知识）的图4
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（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。
蔚来换电螺栓（小螺栓，大知识）的图5
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）。
蔚来换电螺栓（小螺栓，大知识）的图6
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。

蔚来换电螺栓（小螺栓，大知识）的图7

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。
蔚来换电螺栓（小螺栓，大知识）的图8
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。
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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。
蔚来换电螺栓（小螺栓，大知识）的图10
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。
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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。
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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。
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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。

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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。


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