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電動汽車動力電池的支撐結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計研究
2020-03-15 22:40:23· 來源：《電動汽車動力電池的支撐結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計研究》
0 引言降低車輛整體質(zhì)量，是目前新能源汽車隱藏的一大問題?在動力電池突破種種技術(shù)瓶頸之前，唯有進(jìn)行整車的輕量化研究，而整車輕量化的重點(diǎn)之一就落在了車身的
0 引言
降低車輛整體質(zhì)量，是目前新能源汽車隱藏的一大問題?在動力電池突破種種技術(shù)瓶頸之前，唯有進(jìn)行整車的輕量化研究，而整車輕量化的重點(diǎn)之一就落在了車身的輕量化上?本文以某電動汽車為例，以車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的最小化為目標(biāo)，通過優(yōu)化車身的動力電池框架支撐結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的輕量化?
1 汽車輕量化
汽車輕量化是指在維持原有品質(zhì)指標(biāo)不變的基礎(chǔ)上，有針對性地通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計?提高現(xiàn)有材料強(qiáng)度?使用新的輕質(zhì)材料?改進(jìn)制造工藝，以達(dá)到減重?節(jié)能?減排?安全的綜合指標(biāo)，促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，滿足國家能源安全戰(zhàn)略需要?
當(dāng)汽車質(zhì)量降低10%時，燃油消耗率可提高6%~8%;汽車整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3~0.6L;當(dāng)燃油消耗每減少1L，CO2排放量減少2.45kg?國家規(guī)劃的節(jié)能減排目標(biāo)是2020年新車的油耗要下降到5L/100km，2025年，降至4L/100km?在汽車產(chǎn)品同質(zhì)化愈加嚴(yán)重的當(dāng)下，輕量化技術(shù)將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的突破口之一?
實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的手段，行業(yè)主要有3類:結(jié)構(gòu)?工藝?材料，即優(yōu)化汽車設(shè)計?改進(jìn)制造工藝?提高現(xiàn)有材料強(qiáng)度?采用輕質(zhì)材料?國家在“九五”期間進(jìn)行鋁合金材料和鑄件生產(chǎn)成套工藝技術(shù)的開發(fā)研究，取得了較大進(jìn)展，其中重慶汽車研究所?東北大學(xué)?湖南大學(xué)和一汽都進(jìn)行了鋁合金板材的成形性研究?國家在“十五”期間啟動了鎂合金開發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，初步建立了從鎂合金前沿研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)的研發(fā)體系，培育組建了一批有關(guān)鎂合金及制品的股份制公司，形成一批鎂合金產(chǎn)業(yè)化基地，逐步制定鎂合金使用標(biāo)準(zhǔn)?國內(nèi)于2007年成立的國家汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟通過多年的產(chǎn)學(xué)研一體化，對輕量化材料成形技術(shù)?關(guān)鍵共性技術(shù)?材料應(yīng)用進(jìn)行了研究，建立了輕量化材料數(shù)據(jù)庫，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使得輕量化技術(shù)獲得長足發(fā)展?在量產(chǎn)車市場階段，目前已實(shí)施輕量化路徑的層出不窮?
寶馬i3的電動車，減重目標(biāo)是250kg，比傳統(tǒng)的電動車減17%?寶馬5系采用全鋁合金的前艙結(jié)構(gòu)，比同結(jié)構(gòu)的鋼制前艙節(jié)省了30%的重量?奧迪A2采用全鋁車身，汽車自重只有895~990kg?奧迪A8的ASF全鋁車身框架結(jié)構(gòu)，比鋼制車身具有40%的輕量化優(yōu)勢?奔馳C級轎車車身的48%使用鋁合金材料，使車身重量減輕了70kg?上海大眾桑塔納轎車變速器殼體采用鎂合金來實(shí)現(xiàn)減重?
眾所周知，汽車的4大行駛阻力(滾動阻力?坡度阻力?加速阻力和空氣阻力)中有3個與車重成正比?通過這些輕量化的手段，汽車擁有了更加高效的行駛性能和更加優(yōu)良的動感表現(xiàn)?
2 動力電池模塊的一般支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計
通常的動力電池模塊，根據(jù)容積的大小主要布置在后地板備胎艙下，或前地板中央通道下，主要靠前?后地板的骨架(如縱梁)來實(shí)現(xiàn)支撐?
當(dāng)動力電池模塊布置在后地板備胎艙下時，由于動力電池模塊較小，可以通過傳統(tǒng)轎車的前?后地板的骨架來實(shí)現(xiàn)支撐，但這種布置的動力電池模塊，在一定程度上限制了電動轎車的續(xù)駛里程?為了保證動力電池模塊的連接強(qiáng)度?抗扭轉(zhuǎn)性能?后碰保護(hù)，備胎艙做了一定程度的加強(qiáng)，見圖1?
當(dāng)動力電池模塊主要布置在前地板中央通道下時，需要對傳統(tǒng)轎車前?后地板的骨架進(jìn)行修改或增加，如圖2所示，修改的中央通道兩旁的縱梁增加了車輛的正碰性能，增加的中央通道尾部的橫梁，增加了車輛的側(cè)碰性能，但修改或增加的零件達(dá)到下車體結(jié)構(gòu)件的17%，重量隨之增加?
當(dāng)動力電池模塊增大?增重，Z向無法通過直接修改傳統(tǒng)轎車的前?后地板骨架件來支撐時，需要增加額外的骨架梁結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)支撐，如圖3所示，這額外的骨架梁結(jié)構(gòu)會大大增加車身重量，且動力電池模塊的連接強(qiáng)度?抗扭轉(zhuǎn)性能不好?
3 動力電池框架支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計及輕量化
3.1 通常車身輕量化設(shè)計
不可否認(rèn)，作為汽車輕量化最突出最直接的一個方式是使用新興材料，但是受限于成本因素的影響和制造工藝的約束，新興材料一般使用于高端汽車，對于普通的汽車，效果好的新興材料取代傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼板，會是一個較為漫長的過程?
通常汽車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，就是使零件薄壁化?中空化?小型化和復(fù)合化，并且普遍采用高強(qiáng)度鋼?每年的歐洲車身年會上代表車型，高強(qiáng)度鋼用量已達(dá)50%?
3.2 電池框架支撐結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計
在“中國制造2025”戰(zhàn)略中，“節(jié)能和新能源汽車”與“新材料”均被列為10個大力推動突破發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，輕量化被列為其中的重要方面?如果能實(shí)現(xiàn)輕量化預(yù)期目標(biāo)，每年有望減少石油需求0.45~0.63億t?
梁柱結(jié)構(gòu)是車身骨架的基本承載單元?傳統(tǒng)車身上梁單元結(jié)構(gòu)眾多，因?yàn)檐嚿斫Y(jié)構(gòu)需要大平面來給整車各個系統(tǒng)部件做安裝點(diǎn)?支撐面，對碰撞安全性起到很好的保障作用?為了提高彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，通常需要增加梁的矩形截面的高度和寬度，從而不可避免地增加了重量?柱單元結(jié)構(gòu)具有非常良好的圓筒截面特性，經(jīng)碰撞測試結(jié)果，其安全性比傳統(tǒng)的沖壓焊接總成更好，能大幅度降低整車質(zhì)量?通過增加圓筒截面的直徑就可提高彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，具備高剛性?高穩(wěn)定性?通常柱單元結(jié)構(gòu)的制造采用液壓成形技術(shù)來完成，如底盤的一些架構(gòu)零件，它不但減少了模具費(fèi)用投入，還大大縮短了模具制造周期，而且避免了材料變薄，提升了零件材料利用率?
本文不僅使用了柱單元結(jié)構(gòu)，滿足了電動汽車動力電池的支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度及安全要求，并且另辟蹊徑，通過將鋼管式框架支撐結(jié)構(gòu)的多處管狀轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計為一致，使其摒除液壓技術(shù)，直接在單頭彎管機(jī)上實(shí)現(xiàn)制造，并且采用了市面上普及的彎管直徑大小，大大降低了制造成本和零件單件成本，如圖4所示?
3.3 疲勞強(qiáng)度性能分析
有限元仿真模型中，通過設(shè)定5種載荷工況模擬車輛實(shí)際行駛狀況，計算出各連接處的疲勞應(yīng)力范圍，利用各零件的疲勞極限圖來進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評定，見圖5和圖6?并利用有限元模型進(jìn)一步校核輕量化措施，見圖7?為此并增加了動力電池托盤和框架支撐結(jié)構(gòu)的變形位移量的考核，見圖8和圖9?經(jīng)過輕量化設(shè)計之后，鋼管式電池框架支撐結(jié)構(gòu)減輕的質(zhì)量為原來的骨架梁結(jié)構(gòu)的50%，疲勞強(qiáng)度滿足要求?實(shí)車試制后，通過路試試驗(yàn)驗(yàn)證，與有限元計算的結(jié)果基本一致?
3.4 安全性能分析
在車身后部未安裝吸能盒?碰撞橫梁以及泡沫等結(jié)構(gòu)下，進(jìn)行車身尾部碰撞模型分析，結(jié)果顯示動力電池托盤邊緣受到輕微擠壓，動力電池本體未發(fā)生明顯變化，最大應(yīng)力滿足設(shè)計要求，無塑性應(yīng)變?后縱梁末端壓潰較好，整體變形模式可接受?由此可見，鋼管式電池框架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足50km/h尾部碰撞目標(biāo)要求?實(shí)車試制后，通過尾碰試驗(yàn)驗(yàn)證，與有限元計算的結(jié)果基本一致?
4 結(jié)語
本文以有限元仿真模型為基礎(chǔ)，通過考核疲勞強(qiáng)度和安全性能，對電動汽車的動力電池連接處進(jìn)行優(yōu)化計算，實(shí)現(xiàn)電動汽車動力電池的支撐結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，減輕的質(zhì)量為原來的骨架梁結(jié)構(gòu)的50%，實(shí)車試制成功并通過試驗(yàn)驗(yàn)證?
鋼管式結(jié)構(gòu)可以省去沖壓設(shè)備的投入，降低生產(chǎn)制造成本的同時，更容易進(jìn)行局部加強(qiáng)，在充分利用空間?贏得更大彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的同時，大大減輕了質(zhì)量?在尋求車身結(jié)構(gòu)輕量化的道路上，值得推崇?
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