點(diǎn)擊藍(lán)字丨關(guān)注我們 0引言 新能源汽車已成為21世紀(jì)汽車工業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn),《中國制造2025》明確提出純電動汽車 ? 插電式混合動力汽車 ? 燃料電池汽車是國家未來的重點(diǎn)發(fā)展方向 ,其中純電動汽車是目前發(fā)展最快的新能源汽車 ? 而作為儲能裝置的動力電池是純電動汽
新能源汽車已成為21世紀(jì)汽車工業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn),《中國制造2025》明確提出純電動汽車 ? 插電式混合動力汽車 ? 燃料電池汽車是國家未來的重點(diǎn)發(fā)展方向 ,其中純電動汽車是目前發(fā)展最快的新能源汽車 ? 而作為儲能裝置的動力電池是純電動汽車的關(guān)鍵部件之一 ? 目前純電動汽車上采用的動力電池主要是鋰離子蓄電池,由若干鋰離子蓄電池電芯組成電池模組,箱體與若干電池模組及電路設(shè)備和附屬電子電器部件組成動力電池包 ?動力電池箱體作為動力電池的防護(hù)零件,首要功能是模組承載,在箱體內(nèi)盡可能多布置電池模組以實(shí)現(xiàn)更大續(xù)航里程,整個電池包通過箱體與車身連接固定 ? 通常箱體具有可觀的尺寸和重量,一般安裝在車身下部,需經(jīng)受道路環(huán)境對箱體的腐蝕和車輛運(yùn)行過程中的振動和沖擊等,這些因素決定了動力電池箱體的設(shè)計開發(fā)具有一定復(fù)雜性 ? 本文將詳細(xì)闡述動力電池箱體的設(shè)計,并探討下一步研究方向 ?功能需求構(gòu)成產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)要求,動力電池箱體承擔(dān)對電池模組及電路設(shè)備和電子電氣附件的承載和保護(hù),因此高安全性和高可靠性是其首要功能要求 ? 它必須通過一定的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證抗沖擊 ? 抗碰撞和抗擠壓性能 ,并保證抗振動的耐久可靠性能;必須滿足密封性,包括氣密性和防塵防水性能;必須滿足防火性能和防腐蝕性能 ? 還需進(jìn)行輕量化設(shè)計,箱體輕量化有利于提高電池包能量密度,也有利于增加續(xù)航里程 ?由于動力電池箱體涉及諸多功能和苛刻要求,是涉及各種材料和不同工藝以及各種設(shè)計方法的大型零部件,需要系統(tǒng)地進(jìn)行設(shè)計開發(fā) ? 圖1體現(xiàn)了可行有效的動力電池箱體設(shè)計思路 ?箱體內(nèi)部布置主要與電池模組等內(nèi)部零件相關(guān),外部布置主要與車身和底盤等外部零件相關(guān),確定內(nèi)外布置以后,從箱體基本結(jié)構(gòu)展開到各子系統(tǒng)的具體設(shè)計,這個過程要考慮箱體強(qiáng)度和剛度等力學(xué)特性 ? 防水防塵等密封特性 ? 防火和防腐蝕等特性 ,同步分析可制造性 ? 輕量化設(shè)計和成本經(jīng)濟(jì)性評估則貫穿始終,并分階段進(jìn)行樣件制作和試驗(yàn)驗(yàn)證 ?為了獲得更多續(xù)航里程需要安裝較多電池模組,加上復(fù)雜的控制元器件 ? 繼電器 ? 高低壓線束 等,有時還要考慮布置水冷系統(tǒng),導(dǎo)致電池包重量和尺寸較大 ? 例如續(xù)航里程在270km左右的純電動汽車的動力電池包,其總重量近300kg,體積近200L ? 如此大的質(zhì)量體安裝在車輛底部,會對車輛的動力性產(chǎn)生較大影響 ? 一般基于傳統(tǒng)車平臺上更改的動力電池箱體分為跨過后橋和前后橋之間兩種結(jié)構(gòu)形式,見圖2 ? 這兩種形式各有優(yōu)勢,其對比情況見表1 ? 考慮到零件設(shè)計的緊湊性,將車身空間盡可能地讓渡于乘客,采用前后橋之間的電池包箱體形式較多 ?純電動汽車動力電池包通常安裝在車身地板以下,因此車身地板結(jié)構(gòu)對動力電池箱體的布置影響很大 ? 傳統(tǒng)的中央通道結(jié)構(gòu)對布置電池模組非常不利,其尺寸直接限制了電池模組的尺寸和布置 ? 但是這種結(jié)構(gòu)對車身力學(xué)結(jié)構(gòu)比較有利,可以消除柱碰對模組的影響,也有利于車身剛度指標(biāo) ? 上殼體靠近車身地板,地板局部結(jié)構(gòu)有時會和電池模組的布置發(fā)生沖突,合理布置上殼體與車身地板的間隙,也是上殼體設(shè)計過程中需要關(guān)注的內(nèi)容 ?
動力電池箱體與車身的連接通常只考慮垂直方向的固定,這樣安裝方便且車身結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單 ? 連接方案需考慮機(jī)械沖擊 ? 碰撞和振動各個工況下的固定可靠性,在固定薄弱環(huán)節(jié)可增加固定點(diǎn)或選用強(qiáng)度等級更高的螺栓 ? 對尺寸較大的動力電池箱體,除了在四周布置固定點(diǎn),還應(yīng)該考慮在箱體中心部位設(shè)置固定點(diǎn) ?
基于傳統(tǒng)車身平臺進(jìn)行布置和設(shè)計,其開發(fā)成本和時間可以被大大縮短 ? 隨著電動車技術(shù)的發(fā)展,電動車的車身將越來越獨(dú)立于傳統(tǒng)車身,開發(fā)全新電動車平臺是一種趨勢,巧克力盒子式動力電池箱體更有利于布置模組 ? 例如某全新平臺電動車的車身地板和動力電池箱體就體現(xiàn)出了這種變化,見圖3 ?箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與模組的固定方式息息相關(guān),考慮到安裝方便,尤其是生產(chǎn)節(jié)拍較高的情況下需使用機(jī)器人自動安裝,模組均采用垂直方向固定 ? 因此箱體下殼體內(nèi)部的主體結(jié)構(gòu)通常都是貫通的管狀結(jié)構(gòu)或截面梁結(jié)構(gòu),管或梁的布置 ?截面與箱體的強(qiáng)度 ? 剛度密切相關(guān) ? 箱體上殼體是非承力件,但是也是受周圍條件影響最大的部件 ? 箱體內(nèi)部主要是高壓部件和電路設(shè)備 ,因此必須考慮安全的絕緣距離,如ISO6469 ? ICE60664等都給出了詳細(xì)的計算方法,在上殼體設(shè)計過程中必須將這些因素考慮周全 ?
動力電池箱體通常由上殼體總成 ? 密封系統(tǒng)和下殼體總成 3部分組成 ?其中箱體下殼體是主承力部件,綜合多種動力電池箱體的研究發(fā)現(xiàn),鋼制下殼體主要采取型鋼焊接和鈑金焊接兩種方案,也有某些下殼體中既有鈑金焊接也有型鋼焊接 ? 因?yàn)樾弯摵附颖容^簡單,早期的箱體較常采用;而由于鈑金焊接件在工藝性上的優(yōu)勢,后期更多箱體都采用鈑金焊接方式 ? 二者優(yōu)勢對比見表2 ?經(jīng)濟(jì)型入門級電動車以及國內(nèi)早期電動車采用鋼制箱體,隨著電池包能量密度成為國內(nèi)電動車補(bǔ)貼政策指標(biāo)之一,具有輕量化優(yōu)勢的鋁制下殼體成為目前的主流方案 ? 鋁制下殼體主要分為擠出型材拼接和邊框型材底板沖壓兩種形式,見圖4 ? 擠出型材可形成封閉截面結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)和輕量化特點(diǎn),因此在目前動力電池箱體上得到了大量的應(yīng)用 ? 二者優(yōu)勢對比見表3 ?箱體上殼體是非主承力件,力學(xué)要求上遠(yuǎn)沒有下殼體高 ? 除了空間布置之外,主要考慮的是表面剛度 ? 可制造性 ? 輕量化和絕緣性能 ? 如果出現(xiàn)模組固定失效情況,電池模組會倒擱在上殼體上,所以必須要考慮絕緣性能 ? 幾何形狀較為復(fù)雜的上殼體目前多采用復(fù)合高分子材料,例如不飽和樹脂加玻璃纖維熱固性SMC材料,通過模壓工藝一次成型,既能滿足剛度要求,也有輕量化和密封性好的優(yōu)點(diǎn) ? 形狀較為簡單的平坦結(jié)構(gòu)則采用鋁板沖壓方案 ?(1)動力電池箱體的強(qiáng)度設(shè)計動力電池箱體位于車身下部,遠(yuǎn)離車頭部位,因此側(cè)碰和側(cè)面柱碰對箱體結(jié)構(gòu)影響較大,對于跨過后橋的箱體布置形式,后碰的影響也比較大 ? 由于鋰離子動力電池模組的抗沖擊能力有限 ,因此箱體的設(shè)計目標(biāo)基本都是以碰撞之后變形不要接觸到電池模組和控制器為限,如圖5所示 ? 這些碰撞工況一般都以滿足EU-NCAP作為評價標(biāo)準(zhǔn),同時GB/T31498-2015針對正碰和側(cè)碰對電動汽車提出碰撞后安全要求 ?動力電池箱體在碰撞變形之后還需要滿足高壓電安全的要求,即高壓電纜不能被切斷 ? 可以考慮的方法如下:將高壓電纜布置在碰撞影響小的區(qū)域;優(yōu)化變形方式,讓碰撞變形避讓高壓電纜;為高壓電纜設(shè)計保護(hù)裝置 ? 但有時由于條件的限制,箱體的變形還是會接觸到高壓電纜,這就需要控制接觸時刻,讓接觸時刻發(fā)生在斷路繼電器起作用之后 ?動力電池箱體位于車身下部的位置導(dǎo)致其可能會受到高速石擊或高速跌落的情況,因此動力電池箱體必須具備很強(qiáng)的耐沖擊能力 ? 在這種沖擊下,要考察動力電池箱體連接車身的固定方式 ? 電池模組在箱體內(nèi)的固定方式以及模組內(nèi)部單體電芯 的固定方式 ? 有一些參考標(biāo)準(zhǔn),比如ISO12405中就規(guī)定了電池箱體需承受在3個自由度每個方向50g-6ms半正弦波連續(xù)10次的沖擊 ? 目前各整車廠商所采用的沖擊工況有所不同,但至少必須要滿足國標(biāo)GB/T31467.3-2015中的沖擊要求 ?
(2)動力電池箱體的剛度設(shè)計作為一個尺寸和質(zhì)量都很大的安裝在車身下部的部件,動力電池箱體的動剛度匹配非常重要,必須避開一些基本的路面激勵,還要避免和車身的某些低頻模態(tài)發(fā)生耦合 ? 一般情況下提高部件一階模態(tài)的頻率使之高于車身扭轉(zhuǎn)剛度是一種簡單易行的方法,某整車廠商將動力電池箱體一階模態(tài)高于43Hz作為動剛度設(shè)計目標(biāo),通過反復(fù)分析應(yīng)變能的分布來優(yōu)化動力電池箱體的動剛度 ? 在開發(fā)過程中 ,發(fā)現(xiàn)除了下殼體結(jié)構(gòu)對動剛度影響很大之外,通過加強(qiáng)約束連接來改善模組之間的相對竄動也是提高電池包動剛度的一項(xiàng)重要措施,見圖6 ?箱體類零件的局部模態(tài)優(yōu)化也非常重要 ? 例如,上殼體表面的壓印或筋狀結(jié)構(gòu)會直接影響表面剛度,過低的表面剛度會使零件在較低頻率的激勵下產(chǎn)生共振,除了產(chǎn)生噪聲之外還會降低零件的疲勞壽命 ?箱體的疲勞壽命和疲勞薄弱點(diǎn)的判斷也是剛度設(shè)計過程中的一個重要領(lǐng)域 ? 箱體與車身剛性連接,在其運(yùn)行生命周期內(nèi)基本是以彈性范圍內(nèi)的小變形為主,因此可以通過適用于高周疲勞壽命計算的名義應(yīng)力法進(jìn)行校核 ? 即首先根據(jù)載荷確定危險區(qū)域的應(yīng)力,然后通過材料的S-N曲線計算危險區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù),結(jié)合材料的疲勞極限圖,通過插值將材料的S-N曲線轉(zhuǎn)換成零件的S-N曲線 ? 最后根據(jù)危險區(qū)域應(yīng)力由疲勞累計損傷定律計算疲勞壽命 ? 但是名義應(yīng)力法計算工作量巨大,很多設(shè)計者會采用自己的經(jīng)驗(yàn)算法,例如把危險區(qū)域的最大應(yīng)力不超過材料屈服強(qiáng)度的3/4作為安全門檻值 ?密封性是動力電池箱體的核心功能之一,按照電氣元件的要求,其密封須達(dá)到IP6K7等級,某些整車廠商要求密封性達(dá)到IP6K9K等級 ? 但是由于動力電池箱體尺寸較大,有效空間受限于電池模組和車身結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其密封長度較長,甚至超過6m,一般情況下只能提供一道密封的設(shè)計空間 ? 箱體密封系統(tǒng)是典型的靜密封,其密封形式主要有O型密封和矩形密封兩種,見圖7 ? 前者的優(yōu)勢在于密封圈受到箱體的保護(hù),材料在長時間使用后不容易變性;后者對上下殼體的配合要求比較低,具有一定的自適應(yīng)性 ? 目前,在量產(chǎn)電池包中采用后者的方案居多 ?主密封面的起伏變化是造成密封失效的主要原因,因?yàn)樵谶@些區(qū)域,上下殼體的匹配與其他區(qū)域不一致,密封條的壓縮量會有變化,同時起伏區(qū)域前后預(yù)緊力方向也不一致,所以密封面起伏區(qū)域容易發(fā)生泄漏 ? 在設(shè)計過程中,主密封面最好處于同一平面 ? 另外,主密封面上必須有足夠的緊固螺栓,一般螺栓間隔距離不大于80mm ? 在密封條轉(zhuǎn)角區(qū)域,兩端一定要設(shè)置緊固螺栓 ? 在IPX7測試中,密封圈內(nèi)外的壓差達(dá)到約0.1個大氣壓,因此必須有足夠的預(yù)壓縮量,計算公式為式中:σp為密封接觸壓強(qiáng);σ o 為密封預(yù)壓縮應(yīng)力;γ為泊松比;p為內(nèi)外壓差 ?從式(1)可以發(fā)現(xiàn),為了得到較高的密封接觸壓強(qiáng),就需要采用較高泊松比的橡膠材料,一般密實(shí)橡膠彈性體幾乎是不可壓縮的,泊松比在0.5左右 ? 而多孔材料是可以壓縮的,其泊松比要大大小于0.5 ? 例如,某動力電池箱體密封系統(tǒng)使用的是密實(shí)材料(三元乙丙橡膠EPDM),主要是因?yàn)镋PDM材料具有優(yōu)越的抗氧化和耐腐蝕能力,并已在車身上廣泛應(yīng)用 ? 另外,單組份聚氨酯發(fā)泡密封膠 ? 硅橡膠 ? 光敏密封膠等材料在電池包上也有應(yīng)用 ?復(fù)合材料的上殼體無論在絕緣還是輕量化領(lǐng)域的優(yōu)勢都很明顯,除了在上殼體上應(yīng)用SMC材料以外,可在下殼體上探索采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 ? 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能,這使其具備替代金屬材料的可能,其密度不到鋼的1/4,具有高比強(qiáng)度 ? 高模量 ? 耐腐蝕 ? 耐疲勞 ? 抗蠕變 ? 良好的設(shè)計性和可大面積整體成型等特點(diǎn) ,在保證結(jié)構(gòu)和密封性能不降低的前提下,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)下殼體的輕量化設(shè)計,提高電池包能量密度和整車?yán)m(xù)航里程 ?動力電池箱體上的密封條位于車身外部,這是一個高濕 ? 高塵 ? 少陽光的惡劣工作環(huán)境 ? 密封條的密封長度較長,密封等級要求高,需要繼續(xù)深入研究選擇何種合適的密封材料以滿足壓縮率 ? 熱膨脹率 ? 熱變性質(zhì) ? 壓縮永久變形 ? 硬度變化等方面的要求 ?針對電池包性能的法規(guī)要求有所變化,預(yù)計2019年下半年會發(fā)布新版國標(biāo)《電動汽車用動力蓄電池安全要求》,以替代之前的推薦國標(biāo)GB/T31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分:安全性要求與測試方法》,在針對電池包層面的各項(xiàng)安全要求中,新國標(biāo)的振動試驗(yàn)要求更苛刻了,且新增了熱擴(kuò)散試驗(yàn)要求,以后的動力電池箱體設(shè)計必須進(jìn)一步提升性能,滿足新的振動試驗(yàn)和熱擴(kuò)散試驗(yàn)要求 ?動力電池包是為純電動汽車提供能量源的“心臟”,而動力電池箱體作為動力電池包的載體和護(hù)盾,其安全性和可靠性要求極高,因此設(shè)計開發(fā)難度很大 ? 本文詳細(xì)闡述了動力電池箱體的完整設(shè)計體系和具體設(shè)計方法,從箱體內(nèi)外布置入手,確立箱體的基本結(jié)構(gòu),分析箱體的力學(xué)設(shè)計和密封系統(tǒng)設(shè)計,開展箱體子系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計,借助于剛強(qiáng)度等性能仿真模擬和成型連接等工藝仿真模擬,反復(fù)優(yōu)化設(shè)計方案,分階段進(jìn)行樣件試制和試驗(yàn)驗(yàn)證,并在下一步的設(shè)計研究中,繼續(xù)探索新材料的應(yīng)用,進(jìn)一步提升箱體的安全可靠性能 ? 總之,本文所闡述的設(shè)計體系和思路對持續(xù)提升動力電池箱體設(shè)計開發(fā)能力,有非常重要的指導(dǎo)作用和現(xiàn)實(shí)意義 ?
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