電動車快慢充電口蓋機構(gòu)設計

魏立，宋志堯，沈鑫兵

（200082 上海市 上海理工大學）

0 引言

面臨環(huán)境污染和能源過度消耗等問題，汽車能耗問題備受關(guān)注，對汽車能耗要求也越來越高，有些國家甚至已經(jīng)開始著手制定燃油車禁售時間表。電動汽車日益被整車企業(yè)所重視，也逐漸成為未來汽車的發(fā)展趨勢之一。而電動電池作為電動汽車的能源供應者，在使用一段時間之后，需要充電來補給能量、為了滿足消費者充電需求，配備快慢充電口必不可少。相比燃油車，純電動汽車的持續(xù)續(xù)航里程相對會短一些，所以充電口在使用上會十分頻繁，因此一款方便安全且穩(wěn)定的充電口裝置就顯得極其重要，這也間接決定了消費者在購車時的決策以及在今后使用過程中的體驗和評價。

本文根據(jù)某款電動車充電口蓋的設計要求，通過充電口布置位置、充電口蓋安裝結(jié)構(gòu)、外板形狀、鎖閉形式、材質(zhì)等的選擇和設計，并通過DMU 仿真檢驗了設計結(jié)果的可行性。為樣車中的部分結(jié)構(gòu)提供了合理的設計思路，從而完成對參考車型充電口總成的改進與設計。

1 充電口總成設計

充電為電動汽車必不可少的一項功能，合理地在汽車車身部位設計一個高效且便利的充電結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)充電功能的必要條件[1]。就充電口而言，合理的充電口座結(jié)構(gòu)、合理的充電口布置都是保證汽車可以高效充電的前提，也是電動車開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)之一。本文對某款電動車的充電口總成進行設計，首先列出了此型充電口總成的設計要求，主要分為技術(shù)要求和試驗要求兩部分[2]。其后根據(jù)此要求的條件，在合理范圍內(nèi)對充電口總成完成設計。

1.1 主要技術(shù)要求

（1）充電口蓋總成是按主機廠確認批準的圖樣及技術(shù)開發(fā)協(xié)議，經(jīng)制造廠質(zhì)量檢驗部門檢驗合格的產(chǎn)品，并附有合格證。

（2）充電口蓋總成表面無尖角、毛刺、裂紋、氣泡、油漆流痕、表面翹曲等。

（3）充電口蓋總成的間隙及面差滿足造型設計要求，充電口蓋關(guān)閉后，在行駛過程中不會自動開啟。

（4）裝配后蓋板開啟關(guān)閉活動自如。

1.2 試驗要求

（1）拉伸強度按QC/T 15-1992《汽車塑料制品通用試驗方法》，拉伸強度≥160 MPa。

（2）彎曲強度按GB/T 9341-2008《塑料彎曲性能的測定》，MP01-06A：≥20 MPa，MP01-09：≥26 MPa。

（3）彎曲性能 彎曲試驗按GB/T 232-2010《金屬材料 彎曲試驗方法》。彎曲性能應符合GB/T 3880.2《一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材第2 部分：力學性能》的規(guī)定。

（4）懸臂梁缺口沖擊強度按 GB/T 1843-2008 《塑料 懸臂梁沖擊強度的測定》進行。MP01-06A：23 ℃時，≥40 kJ/m2；-30 ℃時，≥4 kJ/m2；MP01-09：23℃時，≥12 kJ/m2。

（5）漆膜附著性試驗（噴漆件） 按GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》第7章的規(guī)定進行。

（6）光老化按 GB/T 16422.2-1999《塑料 實驗室光源暴露試驗方法 第2 部分：氙弧燈》的規(guī)定執(zhí)行。要求無裂紋，無明顯變色、退色現(xiàn)象，色牢度≥4 級。

（7）耐高溫性能按 QC/T 15-1992 中5.1.4.1條款。試驗后尺寸無明顯變化，產(chǎn)品無變形、間隙、波紋，在安裝部位沒有松動或活動。外觀無龜裂、剝離、溶脹、釋出；顏色不應產(chǎn)生明顯變色；光澤度不應產(chǎn)生明顯損失（ΔL≤0.2）等現(xiàn)象。

（8）耐寒性能 按QC/T 15-1992 執(zhí)行，將試樣放置在-30±2 ℃恒溫箱內(nèi)至少4 h 后取出，立即按第6 條規(guī)定項目進行檢查。試驗后，不允許產(chǎn)生表面起泡、起皺、裂紋、分化，不允許產(chǎn)生嚴重變色、光澤嚴重損失等現(xiàn)象。尺寸變化≤0.05，變形不明顯。

（9）冷熱交變性能 按QC/T 15-1992 中5.1.4.4 條款。試驗后試件表面無缺陷，如起泡、起皺、裂紋、脫落等。

（10）耐擦傷按 QC/T 15-1992 中5.9 條款，試驗后符合QC/T 15-1992 相關(guān)要求。

（11）耐振動性按QC/T 15-1992 中5.6 條款。試驗后無損傷、無裂紋、無異常。

（12）耐濕性能按QC/T15-1992 中5.4 規(guī)定，在45℃90%RH、96 h 后取出，用干燥的清潔布擦干，在標準環(huán)境下放置1 h。試驗后，尺寸變化＜0.05%；外觀不允許產(chǎn)生變形、粘手、起泡、起皺、裂紋、粉化等異?，F(xiàn)象；不應產(chǎn)生明顯變色；光澤度不應產(chǎn)生明顯損失（ΔL≤0.2）等現(xiàn)象。

（13）耐沖擊性按 QC/T 15-1992。制品表面及本體不允許發(fā)生破損現(xiàn)象。

（14）材料標記按 QC/T 797-2008《汽車塑料件、橡膠件和熱塑性彈性體件的材料標識和標記》。產(chǎn)品要求標明其材料，標識清晰且不影響產(chǎn)品的使用功能。

（15）燃燒特性 GB 8410-2006《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》，≤100 mm/min。

（16）涂鍍層和化學處理層按QC/T 625-2013《汽車用涂鍍層和化學處理層》執(zhí)行，滿足標準中關(guān)于涂鍍層和化學處理層技術(shù)要求。

2 主要參數(shù)確定

2.1 位置布置

目前法規(guī)暫時沒有對電動車充電口布置位置提出明確要求，快充與慢充可以根據(jù)車輛自身特點與總布置要求來選擇布置位置，快慢充可集中分布也可分開布置。在布置充電口位置時，主要需要考慮普通用戶使用時的方便性和舒適度、避免布置在碰撞變形區(qū)內(nèi)、當發(fā)生碰撞時高壓安全問題[3]。而常見的布置形式有以下幾種形式：

（1）布置在車輛正前端即前保處。此方案需考慮到充電機的位置布置以及高壓線纜的走向布置，應保證充電機靠近充電接口，并在符合工作要求的前提下盡量減小高壓線束的長度，從而減少成本[4]。

（2）布置在側(cè)圍，延用原加油口。這種情況一般分為兩種，快慢充集中布置在原加油口處和快慢充對稱分布于車身兩側(cè)。因側(cè)圍C 柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間較小，若采用快慢充集中布置會占用C柱大部分空間，應保證零件的剛度，以及焊接的可操作性[5]。

（3）布置在前翼子板處。此布置方案可將充電機布置在機艙內(nèi)，難點在于高壓線束走向布置。應考慮插拔導致翼子板的變形，并保證充電口盒與翼子板的間隙[6]。

（4）布置在后行李箱蓋處。因需布置充電機、冷卻風道等，會占用一定容積，影響原備胎布置位置，此布置方案較為少見[7]。

鑒于參考車型充電孔位置布置不佳，存在以下缺點：

（1）充電線束太長且裸露在地板下方，不利于保護且成本高，欲對其充電系統(tǒng)重新布置，以達到最佳性價比。如圖1 為參考車充電口位置，圖2 為充電線束。

圖2 充電線束Fig.2 Charging harness

（2）原充電口蓋開啟方式為上下旋轉(zhuǎn)式，開啟角度約為90°，在充電時人機舒適性很差。圖3 為參考車充電口圖示。

圖3 參考車充電口Fig.3 Charging port of reference vehicle

根據(jù)存在的缺陷問題，將快充、慢充口位置調(diào)整至前機艙。調(diào)整后充電口位置如圖4 所示。

圖4 調(diào)整后充電口位置Fig.4 Charging port position after adjustment

對比更改后的充電口更加靠近充電電機，從而減少線束成本。且更改后的充電口放置于車頭，用戶進入和退出汽車都能明顯發(fā)現(xiàn)，從而幫助提醒車主充電或拔掉充電槍。由于位置的改變，快慢充的線束也需要做出相應的調(diào)整。即將快充線束經(jīng)過前防撞梁、散熱器右立柱、右縱梁前段，從而與電池包相連接。慢充線束經(jīng)過前防撞梁、散熱器左立柱、左縱梁前段，從而與充電電機相連接，如圖5、圖6 所示。

圖5 快充線束走向?qū)Ρ确治鯢ig.5 Comparative analysis of the direction of fast charging wire harness

圖6 慢充線束走向?qū)Ρ确治鯢ig.6 Comparative analysis of the direction of slow charging wire harness

更改后的快慢充線束相對于原慢快充線束優(yōu)勢如下：

（1）更改后線束比原線束長度變短，從而達到節(jié)省成本的目的。

（2）更改后線束被前阻尼板阻隔在機艙內(nèi)，與原車線束暴露地板下端相比，更利于線束保護。

（3）由于原車慢充線束是由室內(nèi)走向室外，而新增線束沿著機艙橫梁而走，所以比原車線束更方便安裝。

更改后充電口位置可行性分析如圖7 所示。很顯然，新充電口布置角度及高度均滿足人機舒適性要求。

圖7 更改后充電口位置分析Fig.7 Analysis of charging port position after change

2.2 其他參數(shù)確定

上文中已經(jīng)確定充電口的布置位，接下來則需要對其他參數(shù)進行設計。

（1）充電口蓋材質(zhì)

電動汽車尤其是純電動，一次充滿電后的行駛里程數(shù)有限，需頻繁地充電，因此需要頻繁地開閉充電口蓋，由此可見保證充電口蓋的可靠性尤為重要。目前，充電口蓋按材質(zhì)主要可分為金屬、高分子材料和混合材料充電口蓋3 類。為了提高金屬材質(zhì)的防腐性，常會選用鍍鋅鋼板。而高分子材料，目前運用較為成熟的材料是聚鄰苯二酰胺（PPA）材料，它的特性是熱穩(wěn)定性好，具有高強度和剛度，耐沖擊[8]。混合材料充電口蓋外板采用金屬材料，內(nèi)板采用高分子材料。本文方案是將充電口蓋同時設計為車標，即可將充電口內(nèi)外板配合為一體。車標采用ABS 材料，表面做鍍鉻處理[9]。充電口外板采用PP+EPDMTD20 材質(zhì)，表面做噴漆處理。PP+EPDM-TD20具有耐高溫、耐低溫、絕緣性好、抗沖擊性好、化學穩(wěn)定性好的特性。充電口內(nèi)板采用DC01 材質(zhì)，為冷軋低碳鋼板，強度高。

（2）充電口蓋安裝結(jié)構(gòu)及其口座設計

采用整體式，充電口蓋通過鉸鏈安裝在車身上，更為美觀，安裝精度更高，如圖8 所示。充電口座通過螺接方式安裝在汽車車身上，并在關(guān)鍵部位使用加強筋，同時還可以做翻邊或者凸起等來增加其中支架的強度，如圖9 所示。

圖8 充電口蓋安裝方式Fig.8 Installation method of charging port cover

圖9 充電口座Fig.9 Charging port seat

（3）鉸鏈結(jié)構(gòu)

鉸鏈結(jié)構(gòu)采用了四連桿機構(gòu)的設計方案，如圖10 所示。四連桿機構(gòu)可傳遞較大的動力，易于制造，也容易保證制造后精度，對于遠距離的傳遞可以方便實現(xiàn)，常用于動力機械[10]。

圖10 鉸鏈結(jié)構(gòu)Fig.10 Hinge structure

（4）充電口蓋閉鎖形式

采用電磁閥式閉鎖形式，如圖11 所示。電磁閥式鎖閉結(jié)構(gòu)是一種通過電信號來控制開閉的結(jié)構(gòu)，在使用上十分安全可靠，且操作簡易方便，結(jié)構(gòu)輕巧。以上則完成了充電口總成的設計。

圖11 電磁閥式鎖閉結(jié)構(gòu)Fig.11 Solenoid-valve-type locking structure

3 充電口蓋運動仿真分析

在電子樣機模塊中的DMU 運動機構(gòu)是電子樣機模塊的關(guān)鍵組成部分，可以使用它對設計進行有效性評價。其模塊中提供了豐富多樣的分析測試手段，例如產(chǎn)品干涉檢查、3D 尺寸比較、剖面分析、運動包絡體積分析等功能，此外它也可進行碰撞、間隙及接觸等計算，并得出更為詳盡和精確的分析結(jié)果[2]。適用于從生活用品到各類機械產(chǎn)品的研發(fā)和設計，因此它的應用也十分廣泛。DMU 運動分析是將所有零件視為剛體，不能對受力變形及振動等柔性變形進行分析。

為了保證充電口蓋在使用過程中的安全性能，保證它與其他機構(gòu)不會發(fā)生干涉以及安全問題，本章對充電口蓋進一步進行了運動仿真的校核。這里依然使用CATIA 軟件，運用的模塊為電子樣機模塊中的DMU 運動機構(gòu)。

3.1 運動仿真

對以上設計方案進行充電口蓋開閉的運動仿真。

進入DMU 運動機構(gòu)模塊，新建機械裝置，同時對充電口蓋鉸鏈處進行約束，然后對車標、充電口外蓋板、充電口內(nèi)蓋板以及螺接的鉸鏈建立剛性連接（如圖12 所示），并對車身相連的鉸鏈進行固定。其中定義旋轉(zhuǎn)角度，選擇“驅(qū)動角度”，并在“接合限制”中寫入運動角度上下限0～135°。

圖12 剛性連接Fig.12 Rigid connections

成功建立運動仿真后，通過滑動滑塊即可觀察充電口蓋運動過程，如圖13 所示。

圖13 充電口蓋運動仿真Fig.13 Simulation of charging cover movement

3.2 分析校核

最后對充電口蓋運動過程中與各部件是否干涉進行校核。本章通過DMU 運動機構(gòu)的仿真分析，驗證了其各部分組件在運動時的合理性。

表1 分析校核Tab.1 Component analysis check

通過上述各項校核，該連桿機構(gòu)及鎖扣布置位置在運動過程中均無問題，可滿足正常的開啟關(guān)閉及快、慢充電槍的插拔使用。

4 結(jié)論

在技術(shù)要求和試驗要求的基礎(chǔ)上，本文對充電口不同的位置布置方案進行了優(yōu)缺點的說明，并提出了改進措施以及布置中需要注意的要點。同時對充電口總成其他參數(shù)，包括材質(zhì)選用、充電口蓋安裝結(jié)構(gòu)、鉸鏈結(jié)構(gòu)、鎖閉形式的選取方案提供了參考和說明。最終運用DMU 運動機構(gòu)校核驗證了改進設計的合理性，驗證了在達到性能提升的同時兼?zhèn)浒踩捅憷男薷脑O計方案，為相關(guān)車型的充電口蓋總成設計提供了參考。對于改進設計，在安全可靠的前提下都要結(jié)合原本結(jié)構(gòu)的特點盡可能保留原有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，同時對復雜的設計進行合理簡化，在創(chuàng)新的基礎(chǔ)上也可以運用相對成熟的結(jié)構(gòu)來完善設計，利用現(xiàn)有各類軟件輔助設計從而達到在降低成本的同時得到更加安全美觀和高效的改進設計。