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某純電動低速車的電池箱設(shè)計(jì)與分析
2020-03-17 22:52:24· 來源：電動學(xué)堂
1 引言大力發(fā)展新能源電動汽車,首先可以優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)?保障我國能源安全;其次可以節(jié)能減排,減少環(huán)境惡化;再者可以增強(qiáng)我國汽車工業(yè)和汽車廠商的核心競爭力,
1 引言
大力發(fā)展新能源電動汽車,首先可以優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)?保障我國能源安全;其次可以節(jié)能減排,減少環(huán)境惡化;再者可以增強(qiáng)我國汽車工業(yè)和汽車廠商的核心競爭力,占領(lǐng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)?同時(shí)國家“十三五”規(guī)劃明確了新能源汽車的戰(zhàn)略地位,要求大幅度提升新能源汽車的應(yīng)用比例,全面推進(jìn)高效節(jié)能?先進(jìn)環(huán)保和資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)體系建設(shè),推動新能源汽車的發(fā)展?
低速電動汽車是當(dāng)前電動汽車發(fā)展潮流中的一個(gè)支流,主要分布于山東?河北?江蘇?安徽等地,因其不追求續(xù)航里程與動力性,可以從實(shí)現(xiàn)少裝電池?簡化電機(jī)控制系統(tǒng)以及合理降低安全性能等方面來降低成本?低速電動車在中國農(nóng)村有著廣闊的市場潛力,如老年人用代步車,物流用于快遞“最后一公里”保障等?預(yù)計(jì)到2020年我國低速電動車銷量將突破300萬輛,保有量將擴(kuò)大到1000萬輛以上,有可能成為真正意義的“國民電動車”?
目前,行業(yè)中高端配置的低速車車型已經(jīng)依托現(xiàn)有純電動汽車的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),各項(xiàng)性能指標(biāo)朝均向電動汽車方向靠攏,其中某些車型已經(jīng)能夠滿足國家純電動乘用車產(chǎn)品強(qiáng)制性檢測要求以及安全性等法規(guī)要求?未來低速電動車將成為慢行交通的關(guān)鍵環(huán)節(jié),成為居民智能出行多元化不可缺少的一部分,最終融入到智慧城市?智能交通?智能出行的戰(zhàn)略性規(guī)劃中?
電池箱是電動汽車重要的能量存儲裝置和動力來源,也是電動汽車的關(guān)鍵核心部件,其安全性?可靠性至關(guān)重要?本文將依托某純電動低速車型,對其電池箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)部空間布置,并運(yùn)用Solidworks Simulation軟件對設(shè)計(jì)電池箱進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析及模態(tài)分析?
2 電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與內(nèi)部布置
根據(jù)主機(jī)廠家提供的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),設(shè)計(jì)滿足要求的電池箱系統(tǒng)參數(shù);并根據(jù)外形包絡(luò),設(shè)計(jì)電池箱外形;之后根據(jù)內(nèi)部空間?技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)電池箱體?模組以及相關(guān)電氣走線布置?
2.1 電池箱系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)
根據(jù)車輛現(xiàn)有空間位置?續(xù)航里程等要求,電池箱系統(tǒng)選用了磷酸鐵鋰體系中的一款2770134方形電芯,單個(gè)電芯電壓平臺為3.2V,容量24Ah;模組規(guī)格為4P6S,通過銅排串并聯(lián)方式組成4P24S系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓平臺76.8V,容量96Ah,總電量為7.3kWh?具體參數(shù)如表1所示?
2.2 電池箱體設(shè)計(jì)
箱體設(shè)計(jì)主要考慮主機(jī)廠提供的電池包外包絡(luò)尺寸?結(jié)構(gòu)強(qiáng)度?加熱散熱要求?防護(hù)要求?制造工藝以及成本等方面?目前市面上常見的電池箱體制造工藝主要為:冷軋鋼板沖壓工藝?鋁合金鑄造成型工藝?鋁合金擠出型材拼焊工藝等,由于低速車在成本上的考慮,選用成本較低的鈑金沖壓工藝,具體如圖1所示?
2.3 模組設(shè)計(jì)
模組的設(shè)計(jì)和排布影響電池包內(nèi)部有限空間的利用,也直接影響到電池包內(nèi)部溫度場分布?機(jī)械與電氣的安全性能等?
本文電池箱內(nèi)部共需4個(gè)相同模組,單個(gè)模組需24只電芯,通過絕緣件與鈑金結(jié)構(gòu)件隔離并固定,通過銅鎳排串并聯(lián)形成?主要由電芯?固定架?絕緣片?鈑金件及銅鎳排等主要部件組成,固定方式為兩端固定架栓接,如圖2所示?其主要工藝裝配流程涉及到電芯分選?等離子清洗?涂膠?電芯堆疊?銅鎳排焊接?采樣線連接以及鈑金結(jié)構(gòu)件安裝等,組裝時(shí)需關(guān)注模組的絕緣性?銅鎳排的焊接性能以及模組的尺寸精度?
2.4 電池箱內(nèi)部布置
電池箱內(nèi)部布置主要包括模組與電氣元器件的布置,其中模組布置是將已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的模組,根據(jù)箱體空間結(jié)構(gòu),以空間利用最優(yōu)以及最易成系統(tǒng)的方式進(jìn)行布置;電氣元器件布置是根據(jù)電氣原理圖,將BMS?繼電器?熔斷器?電流傳感器?銅排?高低壓線束等布置得既合理又美觀?
模組和電氣元器件的布置應(yīng)遵循以下原則:模組應(yīng)單獨(dú)固定,拆裝方便,預(yù)留足夠的線束空間;電氣元器件布置應(yīng)靠近電池箱的輸出端,與周邊有良好的絕緣性能?本文根據(jù)電池箱體充放電插頭的位置,對模組和電氣元器件進(jìn)行了合理布置,具體如下圖3所示?
3 電池箱箱體機(jī)構(gòu)分析
車輛行駛過程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的工作環(huán)境,會出現(xiàn)劇烈的加減速和轉(zhuǎn)彎等情況,電池箱體作為動力電池的骨架系統(tǒng),對電池起著重要的防護(hù),在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,需要對其進(jìn)行極限工況下的靜態(tài)強(qiáng)度分析與模態(tài)分析?
3.1 電池箱靜態(tài)強(qiáng)度分析
電池箱的靜態(tài)強(qiáng)度分析是檢驗(yàn)電池箱結(jié)構(gòu)?剛度及可靠性等性能是否達(dá)到要求?由于汽車的行駛工況很復(fù)雜,本文選取兩種特殊工況,“顛簸+急轉(zhuǎn)彎”工況和“顛簸+急剎車”組合工況,最大加速度分別為2g?0.8g?1g(與行駛相反),其中載荷以分布和引力方式施加到電池箱上,具體工況如下表2所示?
由以上兩種組合工況下的應(yīng)力圖?變形圖4可知,“顛簸+急轉(zhuǎn)彎”工況下的最大應(yīng)力值為102Mpa,最大變形量為0.13mm;“顛簸+急剎車”工況下的最大應(yīng)力為143Mpa,最大變形量為0.11mm,上托架所受支反力最大,兩種工況下分別為1220N 與1092N?數(shù)據(jù)見表3?其中最大應(yīng)力均位于在電池箱的下托架底部,最大變形部位均位于箱體中央?
3.2 電池箱模態(tài)分析
模態(tài)分析是一種非常有效?可靠的評估手段,可以獲取電池箱的基本動態(tài)參數(shù)?電動汽車具有復(fù)雜的振動結(jié)構(gòu),電池包如與汽車產(chǎn)生共振,會產(chǎn)生噪聲并對電池箱以及整車的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞,影響汽車的舒適性與安全性能,從而導(dǎo)致事故的發(fā)生?模態(tài)分析能夠獲取箱體結(jié)構(gòu)比較敏感的頻率區(qū)間,以此來避免與汽車其他系統(tǒng)的共振?在箱體模態(tài)分析中,低頻振動往往比高頻振動更具危險(xiǎn)性?前幾階的振動頻率對電池箱結(jié)構(gòu)影響較大,所以分析前六階模態(tài),計(jì)算結(jié)果如下表4所示;模態(tài)振型如圖5所示?振型表明,電池箱的前6階模態(tài)主要表現(xiàn)為上蓋的局部振動?
3.3 電池箱模態(tài)分析結(jié)果評價(jià)
相關(guān)研究表明:
1?電動汽車行駛時(shí),常規(guī)驅(qū)動電機(jī)的激勵(lì)振頻率一般在25Hz以下;
2?電動汽車正常行駛中,路面激勵(lì)頻率與路面不平度和車速有關(guān),具體公式如下:
其中Vmax表示電動車最高行駛速度,Lmin表示路面的不平度波長,我國各種路面的不平度波長參數(shù)見表5所示?
由于文中車型屬于純電動低速車,最高車速控制在40-70km/h,主要工況在城市或農(nóng)村平坦路面,路面不平度波長取1,則路面激振頻率為:
由上分析計(jì)算可知,純電動低速車的主要激振頻率在20Hz以下,根據(jù)上文模態(tài)分析結(jié)果,該電池箱的第1階模態(tài)固有頻率為42.5Hz,遠(yuǎn)離激振頻率,不可能發(fā)生共振現(xiàn)象?另外,由模態(tài)分析可知,電池箱的前6階模態(tài)中,第1?2?3階模態(tài)主要表現(xiàn)均為電池箱蓋Z向的彎曲與XY面的扭轉(zhuǎn);第4?5?6階模態(tài)主要表現(xiàn)為箱蓋的Z向的彎曲?XY面的扭轉(zhuǎn)以及電池箱側(cè)壁的彎曲?
4 結(jié)論
針對某公司純電動低速車,進(jìn)行電池箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì),包括箱體設(shè)計(jì)?模組設(shè)計(jì)以及箱內(nèi)電氣元件的排布?并采用Solidworks Simulation對電池箱進(jìn)行了兩種特殊工況下的靜力分析與箱體的模態(tài)分析,得到如下結(jié)論:
(1)在“顛簸+急轉(zhuǎn)彎”工況和“顛簸路面+急剎車”兩種工況下,電池箱最大應(yīng)力位置均發(fā)生在電池箱下托架底部,分別為102Mpa和143Mpa,均遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度(235Mpa);電池箱最大位移位置均發(fā)生在電池箱安裝模組的中心部位,分別為0.13mm和0.11mm,整體安全系數(shù)較高?
(2)本文電池箱的設(shè)計(jì)頻率為20Hz以下,遠(yuǎn)離其1階共振頻率42.5Hz,能夠避免共振現(xiàn)象,且前6階固有振動頻率與振型為電池箱進(jìn)行更深入的動力學(xué)分析提供了依據(jù);
(3)本文建立的電池箱約束條件普遍適用于各類吊裝類電池箱在Solidworks Simulation中的有限元分析,對研究其他電池箱箱體也具有參考價(jià)值?
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