純電動汽車動力電池箱總成布置分析及優(yōu)化

張 軍

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214005）

隨著科學(xué)發(fā)展觀的不斷深入推進(jìn)，我國綠色新能源的引用也愈加的廣泛，作為日漸重要的出行工具—汽車，其綠色能源的引用被不斷重視和研究。在廣大技術(shù)科研人員的努力和研究下，電動汽車得到了不斷的發(fā)展，從當(dāng)前的成果來看，混合動力電動車的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，相應(yīng)的車型也投入了使用，但純電動汽車的發(fā)展卻始終無法大規(guī)模推廣和運用，這主要是由于相關(guān)技術(shù)不成熟，這其中電池箱的總成布置是一個重要的方面。

1 純電動汽車發(fā)展及研究現(xiàn)狀

純電動汽車是完全使用電力作為動力的機動車，具有低排放、零污染、低噪聲等優(yōu)點，同時能源來源廣泛且使用率較高，但同時也存在著能量不足，行駛里程有限的缺陷。純電動汽車早在一百年前就已經(jīng)出現(xiàn)，但受限于電池技術(shù)，一直沒有得到大的突破，相應(yīng)的發(fā)展也較為緩慢，但隨著能源的緊缺和環(huán)境污染的加重，各國政府紛紛將電動汽車作為重要的發(fā)展方向，并出臺相關(guān)的扶持政策，如美國在2013年發(fā)布的電動汽車普及計劃藍(lán)圖，預(yù)期在2022年實現(xiàn)電動汽車技術(shù)上的突破。

然而，在世界各國電動汽車研究發(fā)展如火如荼時，純電動汽車的部分技術(shù)難題還是沒有得到解決，特別是電池、驅(qū)動和整車輕量化等技術(shù)難題，這些問題一直制約著純電動汽車的推廣和使用。以電池技術(shù)為例，當(dāng)前的技術(shù)續(xù)航里程在200～300公里之間，速度也受到了一定的限制，主要在于電池的大小和功率輸出難以得到很好解決，使得當(dāng)前純電動汽車更多地運用于城市公共交通和近距離的使用當(dāng)中，無法形成對當(dāng)前內(nèi)燃機動車的完全替代。

2 純電動汽車的動力電池箱總成布置

純電池汽車的推廣和使用需要解決電池技術(shù)，作為電池技術(shù)的重要組成部分，電池箱的設(shè)計和布置就極為重要，這對汽車整車的各種性能都會有較大的影響。

（1）電池箱總成布置。電池箱的總成布置，不僅需要滿足汽車動力的輸出需求，也要確保汽車各個方面的性能。從當(dāng)前的汽車動力性能來看，純電動汽車在以下關(guān)鍵技術(shù)的表現(xiàn)需要達(dá)到如表1所示參數(shù)，為了達(dá)到這些技術(shù)參數(shù)，電池組動力需要經(jīng)過相應(yīng)的設(shè)計，據(jù)相關(guān)的公布數(shù)據(jù)來看，滿足此參數(shù)的電池組質(zhì)量應(yīng)該在300kg。

表1 純電動汽車的動力參數(shù)

從汽車的裝配來看，汽車電池箱不僅需要保護(hù)汽車動力電池組的安全，對汽車整車的性能影響也要考慮在內(nèi)。具體而言，電池箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計既要滿足電池動力組固定、防水、防塵、散熱等的需求，還需要考慮其大小、硬度、材料、接口和拆卸便捷性等各方面的問題，因此，對電池箱的設(shè)計，采取箱型邊框式結(jié)構(gòu)，主要由下箱體、支撐橫梁、上箱體和側(cè)圍邊框3個部分組成。①下箱體和支撐橫梁作為電池動力組的支撐，材料要考慮其剛性和強度，在材料搭建上也要考慮加固的結(jié)構(gòu)方式，同時，在防塵散熱上也要考慮在內(nèi)，增加散熱孔，增加箱體內(nèi)部空氣流動，保持箱內(nèi)溫度平衡；②側(cè)圍邊框是固定和防護(hù)電池動力組的關(guān)鍵，特別是縱向邊框，需要承受極限情況下的力量沖擊，因此，在材料和部件搭建上要著重考慮，通過加厚鋼板和增加肋板結(jié)構(gòu)的支撐，使側(cè)圍邊框更加牢固可靠；③上箱體所需承受的動力電池組的力量不大，更多的是密封防護(hù)的作用，因此在設(shè)計上更多的是關(guān)注防護(hù)的功能，同時注意散熱，另外在接口預(yù)留上也要合理設(shè)計，并通過支撐架對接口位置進(jìn)行加固，確保電池動力組的穩(wěn)固。在電池箱與整車的其他部件結(jié)合處，用密封膠密封，使電池箱與汽車其他部件緊密相連，整體的電池箱設(shè)計尺寸為：1800mm*1050mm*175mm。

（2）車輛總成布置對電池箱的放置影響。車輛的總成布置受很多結(jié)構(gòu)及零部件的影響（如圖1所示），從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，車身及副車架的性能是各個系統(tǒng)的相互總成形成，且各個系統(tǒng)有一定的關(guān)聯(lián)。

圖1 整車結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

電池箱作為整車中質(zhì)量較大的部件，其位置布置對車輛整體性能有較大的影響，從車輛的空間布置來看，電池箱智能置于底盤之上，在具體的位置擺放上，受到車輛其他總成系統(tǒng)部件的影響。①動力總成系統(tǒng)，動力總成與電池箱的位置關(guān)系在于動力的傳送和消耗動力的情況，通常而言，電池箱越往前置，對于汽車的動力會越有利，但也存在前橋質(zhì)量過大，整車前后質(zhì)量不平衡的問題，最終又影響了動力系統(tǒng)的均衡穩(wěn)定，影響整車行駛安全；②轉(zhuǎn)向總成系統(tǒng)，具體表現(xiàn)為與前后胎的位置關(guān)系，電池箱位置的不同對車輛轉(zhuǎn)向靈活性來講具有較大的影響，具體而言是會影響到車輛輪胎的性能和行駛安全，但相關(guān)的模擬研究數(shù)據(jù)表明，電池箱對其影響有限，不會產(chǎn)生根本性的變化；③前懸總成和后懸總成也是受到車輪總成的影響，對于電池箱具體的位置而言，最大的問題在于如何確定合適的具體位置，保證車輛整體的平衡，使得整車能夠平衡、穩(wěn)定行駛，確保汽車性能的保持。對前懸總成而言，電池箱的放置對車輪外傾角、車輪前束角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角等方面都會產(chǎn)生一定的影響，但也還是能夠支持電池箱的放置要求。

基于電池箱及電池動力組的質(zhì)量，整車的質(zhì)心位置相對燃油版汽車而言會發(fā)生一定的變化，具體而言，質(zhì)心向后向下移動了，如表2所示。因此，對于純電動汽車而言，電池箱的總成布置對汽車整體產(chǎn)生了較大的影響。

表2 車身系數(shù)

（3）電池箱總成布置對汽車的影響。電箱總成布置會影響汽車的多個方面，具體而言有以下3個方面：①對整車質(zhì)量和車輛質(zhì)心的影響。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃動力車相比，純電動汽車的質(zhì)量受電池質(zhì)量的影響，整車質(zhì)量將更大，這對汽車動力系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的影響，在電池質(zhì)量占到汽車質(zhì)量20%～30%的情況下，車輛的重心也會發(fā)生變化，這對于車輛的各個系統(tǒng)的部件位置也會產(chǎn)生一定的影響；②對汽車操縱穩(wěn)定性會產(chǎn)生一定的影響。汽車的各個系統(tǒng)環(huán)節(jié)是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，在電池箱加入汽車整體后，因質(zhì)量的變化必然會導(dǎo)致車輛輪胎、底盤、各部件負(fù)荷的變化，這會使得車輛的操縱穩(wěn)定性發(fā)生變化，會產(chǎn)生不同的駕駛體驗；③對汽車各個總成系統(tǒng)的影響。汽車的零部件繁多，組成的系統(tǒng)也極其復(fù)雜，電池箱的變化不僅僅是其中一個零部件的變化，更有相關(guān)各種零件的更迭，如電路將變得更加重要和復(fù)雜，油路對汽車的影響就完全消失，這對于汽車的零部件而言，也是一次重新的重組和洗牌。

3 電池箱總成的優(yōu)化

純電動汽車動力電池箱的布置對整車影響最為深遠(yuǎn)的應(yīng)為汽車操作穩(wěn)定性，特別是汽車高速行駛時的操縱穩(wěn)定性是電池箱布置優(yōu)化急需重點考慮的問題。從前文的分析中，可以發(fā)現(xiàn)，電池動力組和電池箱的布置對汽車的質(zhì)量、重心產(chǎn)生了較大的影響，相應(yīng)地，影響操縱穩(wěn)定性的因素也就是重心高度、前后位置和載荷。因此，基于操作穩(wěn)定性進(jìn)行電池箱總成的優(yōu)化。

（1）汽車操縱穩(wěn)定性的影響因素分析。純電動汽車操縱穩(wěn)定性受到3個因素的影響：①整車的重心高度降低，而這對汽車的操縱穩(wěn)定性其實更為有利，操縱更為安全，車輛的舒適度也會有所增加，因此，電池箱置于下部從車輛操縱角度而言，更為合理；②重心的前后位置變化，重心的前移對于車輛加速、車輛的瞬態(tài)響應(yīng)性能會有較大的提升，但也不能過于前置，否則容易引起車輛制動性能的不足，因此，適當(dāng)?shù)那爸脤τ诩冸妱悠嚨牟倏v穩(wěn)定會有更好的表現(xiàn)；③車輛負(fù)荷，也就是車輛的質(zhì)量，相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)表明，受當(dāng)前技術(shù)的原因，整車質(zhì)量的小幅度降低對車輛操縱穩(wěn)定的影響并不太大，因此，對其考慮可暫時忽略。

（2）電池箱總成優(yōu)化。①對于純電動汽車的電池質(zhì)量和組別應(yīng)以滿足車輛性能需求為主。電池是車輛的動力所在，也是純電動汽車存在的根本，因此，對于電池箱總成而言，首先必須確保能夠滿足汽車的性能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其他性能的調(diào)整和優(yōu)化。因此，電池箱的尺寸設(shè)計為：1800mm*1050mm*175 mm，質(zhì)量300kg，電池箱有固定和保護(hù)的下箱體、支撐橫梁、上箱體和側(cè)圍邊框四個部分組成，選材優(yōu)先考慮剛性和硬度；②針對性的精確電池箱放置位置。電池箱的布置影響整車質(zhì)心的上下、前后變化，因此，對電池箱位置的布置大致方位可以確認(rèn)在下方靠前位置，而最終精確位置的確定，需要結(jié)合車況性能進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬分析，以確保純電動汽車的操縱穩(wěn)定性，讓汽車性能更加適用；③優(yōu)化與車輛底盤的連接。車輛底盤和與電池箱的連接也是電池箱總成的重要方面，相關(guān)研究表明，降低車輛底盤的側(cè)向剛度和垂直彎度剛度，不一味地增加其剛度固化，能夠優(yōu)化純電動汽車的電池箱總成；同時，在連接方面，也并不是越多的連接點越好，相反，通過四點連接，并對連接點進(jìn)行四中配置，能夠大大優(yōu)化電池箱與車輛底盤的連接效果。

4 結(jié)語

考慮到純電動汽車的開發(fā)、研究成本，現(xiàn)階段的純電動車研究大多基于現(xiàn)有車輛改裝，因此，很多的技術(shù)參數(shù)是基于現(xiàn)有汽車數(shù)據(jù)而來，純電動汽車的發(fā)展也是基于現(xiàn)有汽車技術(shù)之上而不斷發(fā)展。在電池箱的總成布置分析中，對汽車工藝的各個環(huán)節(jié)有所優(yōu)化，也相信在這一技術(shù)的推動促進(jìn)下，能夠為我國純電動汽車技術(shù)發(fā)展提供一些思路。

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