一種電動(dòng)商用車電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

張 銓

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

伴隨著能源地不斷消耗，溫室效應(yīng)地日益嚴(yán)峻，在這種背景下，全球許多汽車企業(yè)都在投入較大精力來(lái)參與電動(dòng)車的研發(fā)。電動(dòng)商用車是未來(lái)的發(fā)展方向，在污染問(wèn)題比較嚴(yán)重的大中城市電動(dòng)商用車的批量運(yùn)行能夠集中有效的解決傳統(tǒng)燃油車的排放問(wèn)題，因此電動(dòng)商用車的發(fā)展具有重要的意義。

動(dòng)力電池作為電動(dòng)商用車的核心部件，對(duì)整車的動(dòng)力性能起著至關(guān)重要的作用。眾所周知，某些電動(dòng)商用車的工作環(huán)境比較的惡劣，因此該車型電池組在設(shè)計(jì)上需要有更高的要求。如何將大功率的電池組安全的、可靠的布置在整車上是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本發(fā)明專利針對(duì)電動(dòng)商用車電池組的布置提出了一種新的設(shè)計(jì)方式，即采用側(cè)壓機(jī)構(gòu)等固定方式將電池組固定在駕駛室的后方和車架的上方，同時(shí)采用導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)方便了電池組的拆卸和裝配。該種布置方式在有效的保證了電池組發(fā)生碰撞的同時(shí)還使得整車的前后載荷能夠均勻的分布，確保了整車及電池組的安全性。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)現(xiàn)在已有產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行試驗(yàn)、試生產(chǎn)。考慮到安全因素，一般要加大安全系數(shù)，從而使得生產(chǎn)周期變長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成本也相應(yīng)增加，同時(shí)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品往往過(guò)于笨重。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)程，利用有限元分析，在設(shè)計(jì)階段就通過(guò)電池組三維模型,對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度模擬，找出可能出現(xiàn)的應(yīng)力不足以及存在的漩渦，然后改進(jìn)設(shè)計(jì)，再模擬分析，最終使電池組符合實(shí)際工況，就可以正式投入生產(chǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)效率、節(jié)約設(shè)計(jì)成本具有重要作用。

1 電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 匹配設(shè)計(jì)方案

1.1.1 空間布置說(shuō)明

設(shè)計(jì)一種動(dòng)力電池組在保證占用整車空間不大的基礎(chǔ)上，合理地將電池組分布在駕駛室的后部車架的兩側(cè)，電池組的布置使整車載荷分布更加合理，有效的保證了整車制動(dòng)性、轉(zhuǎn)向性能以及操穩(wěn)性。如圖1所示。

圖1 電池組布置圖

1.1.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）材料

①電池組殼體的材料

圖2 48s電池組結(jié)構(gòu)

表1 48s電池組殼體總成材料屬性表

電池組分為48s電池組和52s電池組，48s電池組和52s電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類似，現(xiàn)以48s電池組為例來(lái)說(shuō)明設(shè)計(jì)。48s電池組殼體總成分為上蓋和箱體等鈑金件，具體的材料屬性如表1所示。

②電池組支架的材料

圖3 電池組支架

電池組支架各焊接件具體的材料屬性如下表所示：

表2 電池組支架材料屬性表

（2）工藝

①成型工藝

折彎是利用壓力迫使材料產(chǎn)生塑性變形，從而形成有一定角度和曲率形狀的一種沖壓工序。具體包括以下的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

[1]鈑金折彎高度至少為鈑金厚度的2倍加上折彎半徑；

[2]為保證折彎強(qiáng)度，鈑金折彎半徑應(yīng)大于材料最小折彎半徑；

[3]鈑金沖孔優(yōu)先選用圓孔，當(dāng)鈑金沖裁孔與孔邊緣不平行時(shí)，孔間距或孔邊距至少為鈑金厚度的1倍。

電池組殼體總成和電池組支架鈑金件的制作均以上述標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；針對(duì)料厚較厚的支架類的鈑金件，采用的焊接方式為二氧化碳保護(hù)焊；而針對(duì)薄壁的電池組殼體鈑金件采用的是氬弧焊。

②裝配工藝

圖4 48s電池組的固定孔

圖5 電池組支架活動(dòng)板設(shè)計(jì)

為保證電池組在裝配時(shí)的尺寸公差，對(duì)電池組的固定孔采用腰形孔的設(shè)計(jì)方式；為了去除電池組支架和車架配合時(shí)存在的±0.5mm的尺寸公差，在電池組支架的設(shè)計(jì)上采用活動(dòng)板的裝配方式(如圖所示)，有效的避免了閉環(huán)尺寸鏈的設(shè)計(jì)。

1.1.3 電池組熱管理設(shè)計(jì)

為了避免電動(dòng)汽車電池組溫度不均導(dǎo)致的鋰電池容量分布不均，從而導(dǎo)致的電池組使用壽命縮短的現(xiàn)象，對(duì)該電動(dòng)汽車的電池組采用風(fēng)扇冷卻和加熱膜加熱的熱管理方式。48s電池組和52s電池組熱管理在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上類似，現(xiàn)以48s電池組的熱管理來(lái)具體說(shuō)明。

如圖所示，兩個(gè)小風(fēng)扇布置在電池組的一側(cè)，為了保證兩個(gè)小風(fēng)扇的散熱效果，小風(fēng)扇與箱體內(nèi)壁的距離為22mm；電池組的兩側(cè)設(shè)有加熱膜裝置，該加熱膜通過(guò)鋁板固定在電池組的側(cè)壓板上，加熱膜的中間位置設(shè)有兩個(gè)壓條可以有效的防止鋁板出現(xiàn)的鼓脹現(xiàn)象。

圖6 48s電池組風(fēng)扇布置

圖7 48s電池組加熱膜布置

1.1.4 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

為了保證電池組在整車行駛的過(guò)程中出現(xiàn)側(cè)碰，在整車上電池組的外圍采用了防護(hù)欄的設(shè)計(jì)；電池組在整車上的離地間隙為195mm，有效的保證了整車的離地安全性；在電池組的前端(整車駕駛室后側(cè)）位置設(shè)有擋泥板裝置，對(duì)電池組的前端起到很好的保護(hù)作用。

2 整車電池組熱管理試驗(yàn)及電池組支架有限元分析

2.1 整車電池組熱管理試驗(yàn)

2.1.1 電池組冷卻試驗(yàn)

電池組冷卻試驗(yàn)具體是通過(guò)整車在轉(zhuǎn)榖試驗(yàn)臺(tái)上以最高車速行駛1小時(shí)，環(huán)境溫度為40℃，乘員艙空調(diào)為開(kāi)啟狀態(tài)，電池組的最高溫度為54℃，溫差為10℃，滿足整車電池組冷卻試驗(yàn)的性能需求。

圖8 轉(zhuǎn)榖試驗(yàn)臺(tái)

2.1.2 電池組低溫加熱試驗(yàn)

電池組低溫加熱試驗(yàn)具體是將電池組放置在環(huán)境倉(cāng)內(nèi)(環(huán)境倉(cāng)溫度設(shè)置為-10℃)，將電池組（處于不放電狀態(tài)）持續(xù)加熱1小時(shí)，從上圖可以看出，電池組的最高溫度為14℃，溫差為6℃，滿足整車電池組低溫加熱性能需求。

表3 BMS監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

2.2 有限元分析

通過(guò)使用有限元軟件HyperWorks軟件將48s和52s電池組在整車上建立有限元模型，設(shè)置邊界條件，考察兩個(gè)電池組在兩種工況下電池組支架的應(yīng)力情況。

（1）彎曲沖擊工況的邊界條件及承載情況

計(jì)算時(shí)約束前后懸板簧接地處的所有自由度，從而使車架形成一簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際重量，在駕駛室總成、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等質(zhì)心位置建立質(zhì)量點(diǎn)，在車架相應(yīng)位置施加對(duì)應(yīng)的均布載重，同時(shí)施加2.5g重力場(chǎng)；

（2）扭轉(zhuǎn)沖擊工況的邊界條件及承載情況

扭轉(zhuǎn)沖擊工況與彎曲沖擊工況基本相同，只是需要將一側(cè)縱梁后板簧的剛度降低至原來(lái)的1／3，從而使兩邊縱梁受力不同，形成扭轉(zhuǎn)。前簧剛度：100N/mm 后簧剛度:142N/mm。

①?gòu)澢鷽_擊工況應(yīng)力云圖

圖9 彎曲沖擊工況應(yīng)力云圖

彎曲沖擊工況應(yīng)力最大應(yīng)力為 135.06MPa,安全系數(shù)為1.73，支架滿足強(qiáng)度需求。

②扭轉(zhuǎn)沖擊工況應(yīng)力云圖

圖10 扭轉(zhuǎn)沖擊工況應(yīng)力云圖

扭轉(zhuǎn)沖擊工況應(yīng)力最大應(yīng)力為140.62MPa,安全系數(shù)為1.67，支架滿足強(qiáng)度需求。

綜合以上應(yīng)力云圖顯示，電池組支架滿足整車強(qiáng)度以及剛度的需求。

3 結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)商用車電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的說(shuō)明，通過(guò)對(duì)電池組在整車轉(zhuǎn)榖上進(jìn)行的冷卻試驗(yàn)和在環(huán)境倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行的低溫加熱試驗(yàn)，驗(yàn)證了電池組的熱管理設(shè)計(jì)滿足整車的使用要求；通過(guò)使用有限元軟件 HyperWorks的模擬仿真驗(yàn)證了電池組支架滿足整車的強(qiáng)度強(qiáng)度以及剛度的需求，達(dá)到了節(jié)約時(shí)間，提高效率的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘元.面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)指南.[J]機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 宋軍,夏順禮,趙久志,等.用 Icepak軟件分析并驗(yàn)證某純電動(dòng)轎車電池組熱管理系統(tǒng)[J].汽車工程學(xué)報(bào).2013,3(3):169-174.

[3] 傅永華.有限元分析基礎(chǔ)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.

[4] 《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》編寫(xiě)組.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

[5] 李炳威.結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]北京科技技術(shù)出版社,1997.