電動汽車電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及仿真分析

章麗，匡紹龍，鄧華

（1.蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.江蘇興云新能源有限公司，江蘇 無錫 214200）

開發(fā)高效、無污染、可持續(xù)利用的新能源汽車，設(shè)計汽車無污染燃料并實現(xiàn)規(guī)?；悄壳叭蚱囆袠I(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點。但是電力汽車科技含量高，需要先進(jìn)技術(shù)的支撐，能源電池裝設(shè)于汽車電池箱內(nèi)，在多變的路況下要保護(hù)里面的鋰電池，運用Solidworks Simulation的仿真分析能夠驗證所做的研發(fā)是否符合需要的工況要求，另外，能夠避免“過設(shè)計”，防止電池組件體積太大，重量超標(biāo)，使電力汽車的行駛性能下降。本文著重研究了公交大巴電池箱性能的仿真分析。

1 低地板公交大巴電池箱論述

以鈑金組件為框架的一系列部件構(gòu)成了低地板公交大巴的電池箱，電池箱和其余部件焊接起來，除了8個圓孔外構(gòu)成一個封閉的空間。電池箱本體由鋼材彎曲后焊接形成，底層的橫梁為鋼鐵管道和箱體焊接起來，橫梁上還裝設(shè)了三組滑輪，滑輪能夠在車身的軌道上移動，方便推拉，可以完成電池箱的快速拆卸。滑輪材料為中碳鋼，通過熱加工后強度能夠達(dá)到HRC45～50，而且表層實行了鍍硬鉻處理。箱身的中間裝設(shè)有拉手，方便電池箱的組裝，箱身前面百葉窗的孔為冷卻氣體的入口，后面的圓孔為冷卻風(fēng)機的裝設(shè)孔位，冷卻氣體通過百葉窗滲透進(jìn)箱體，經(jīng)過電池組件間預(yù)先留存的空間，然后由冷卻風(fēng)機排出到箱體外部，運用這個工作模式能夠把電池組件發(fā)出的熱量排出。箱體里面的橫梁和凹凸部分為固定電池組件的作用，箱體的外層和內(nèi)層都進(jìn)行噴漆處理。箱體的外觀尺寸要與電動車上的裝設(shè)位置相匹配，箱體的尺寸為：長850mm×寬400mm×高320mm。電池箱構(gòu)造圖如圖1所示。

圖1 電池箱構(gòu)造圖

2 電池箱強度分析的條件

一輛低地板公交大巴電動汽車上裝設(shè)有8個能源電池組，各自裝設(shè)在車身下部兩側(cè)，8個電池組彼此串聯(lián)起來，確保了電動汽車的供電。鋰電池組件裝設(shè)在電池箱里面，所有電池箱與電動汽車的底板鑲嵌在一起。因為大巴車在運行途中，馬路凹凸不平以及汽車行駛的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致能源電池箱受力特別復(fù)雜。箱體的受力能夠分解為三個：上下方向?qū)ο潴w底盤的壓力；大巴車前后方向?qū)ο潴w側(cè)壁的壓力；大巴車左右方向?qū)ο潴w側(cè)壁的壓力。因為所有箱體的受力通常是一樣的，所以我們單獨對一個電池箱的受力情況實行檢驗。

（1）各個箱體里面要裝設(shè)4組鋰電池組件，一個組件的重量為25kg，因此，箱體內(nèi)組件總重量為100kg，各個箱體底盤承壓的總重量為100kg。按照客戶要求的技術(shù)規(guī)范，箱體要確保可以承壓300kg的重力，因此，最后壓在箱體底盤的力為300kg，箱體需要檢驗的首要條件為內(nèi)部重量為300kg重力下底盤強度是否達(dá)標(biāo)。

（2）按照客戶要求的技術(shù)規(guī)范，當(dāng)電動汽車速度為90km/h時汽車開始剎車，要確保在35m的距離內(nèi)剎停，箱體要確保在這個加速度沖擊下有達(dá)標(biāo)的強度。

設(shè)初速度V0=90km/h，Vt=0，S=40m，由公式2as=可得

根據(jù)牛頓力學(xué)公式F=MA=120×9.325=1119N，因此,電動汽車在剎車途中箱體里面的電池組件對箱體小側(cè)壁造成的力為1119N，約111.9kg，現(xiàn)實過程中根據(jù)1.3倍保險指標(biāo)的來考量，F(xiàn)=111.9×1.3=145.47kg，約145.47kg，來研究箱體小側(cè)壁的強度是否達(dá)標(biāo)。

圖2 電動汽車電池箱安裝位置

（3）電動汽車在加速或剎車時形成的壓力主要影響至前后位置的小側(cè)壁上，電動汽車在拐彎或變換方向時形成的壓力主要影響至左右位置的大側(cè)壁上，因為拐彎或變換方向時形成的壓力小于加速或剎車的壓力，因此，箱體大側(cè)壁受到的壓力小于箱體小側(cè)壁受到的壓力，為保險考慮我們對大側(cè)壁也根據(jù)145.47kg來驗證。圖2為電動汽車電池箱安裝位置。

3 電池箱強度分析

電池箱由鈑金部件以及鋼管等焊接構(gòu)成，由于整個電池箱在仿真分析時計算復(fù)雜且量大，需要對模型實行必要的簡化，把箱體上的拉手、滑輪等其余部件清除、對底盤及側(cè)面機械強度無關(guān)的部位實行簡化，獲得一個恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠韺嵭蟹抡娣治觥?/p>

3.1 電池箱底盤強度仿真分析

電動汽車在行駛途中因為路面不平上下晃動比較明顯，電池組件對箱體底盤的壓力較大，因為箱體在構(gòu)造上選用可推拉的簡易組裝式，底板與車身不接觸，等同于底部中間是鏤空的，壓力作用在兩側(cè)支柱承上，軸受到的力傳輸至滑輪，滑輪受到的力最后作用于車身的底板上。因為會用到很多的接觸分析，運用等效載荷對模型實行簡易化，忽略滑輪和軸，把等效力作用于箱體的軸孔上。將軸孔看成固定面，接著在箱體里面的底部上施加300kg的力。

通過仿真分析可得，最大應(yīng)力為105.2MPa作用于軸孔四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，最大位移為0.723mm，變形稍大，因此，必須重新設(shè)計。

修改底板構(gòu)架的設(shè)計：因為電池箱底部變形較大，必須對原計劃方案實行更改，為了提高底板的硬度，在底板下部繼續(xù)添加單根橫梁，用作加強支撐的力度，橫梁材料為普通鋼材，大小跟上文的兩根橫梁一樣，焊接在電池箱的底板。

修改設(shè)計之后，最大應(yīng)力為89.5MPa作用于軸孔四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，最大位移為0.437mm，變形較小，電池箱強度符合汽車行駛的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 電池箱小側(cè)壁強度仿真分析

電動汽車在應(yīng)急剎車狀況下，因為慣性的關(guān)系，箱體內(nèi)部的電池組件會對箱體形成很大的壓力，此壓力是影響于箱體小側(cè)壁上。根據(jù)上述運算可得，電池組件對箱體小側(cè)壁形成的壓力為145.47kg，因為一對小側(cè)壁是同樣的，所以，僅對一側(cè)實行分析，把軸孔看成固定面，接著在箱體小側(cè)壁的內(nèi)部施加145.47kg的力。

通過仿真分析可得，最大應(yīng)力為104.7MPa作用于箱體四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，最大位移為2.089mm，小側(cè)壁中部變形稍大、因此必須重新設(shè)計。

修改小側(cè)壁構(gòu)架設(shè)計：箱體的最大位移為2.089mm，這個數(shù)值偏大，因此必須對側(cè)壁的構(gòu)架實行修改，為了提高側(cè)壁的支撐力度，在兩端小側(cè)壁外部添加一條強化鋼筋，強化鋼筋材質(zhì)為Q235鋼板經(jīng)沖壓彎曲而成，與電池箱焊接穩(wěn)固。

修改設(shè)計后，最大應(yīng)力為50.2MPa作用于箱體上端四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，最大位移為0.293mm，變形較小，電池箱強度符合汽車行駛的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 電池箱大側(cè)壁強度仿真分析

電動汽車在拐彎或變換方向的狀況下，箱體里面的電池組件會對箱體形成一定的壓力，此壓力是影響于箱體大側(cè)壁上，根據(jù)上述的運算可得，電池組件對箱體大側(cè)壁形成的壓力為145.47kg，因為一對大側(cè)壁是同樣的，所以，僅對一側(cè)實行分析，把軸孔看成固定面，接著在箱體大側(cè)壁的內(nèi)部施加145.47kg的力。

通過仿真分析可得，最大應(yīng)力為152.4MPa作用于箱體四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，中間的最大位移為1.589mm，超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

修改大側(cè)壁構(gòu)架設(shè)計：在大側(cè)壁的外部各添加單根鋼管，用作提高支撐強度，鋼管尺寸為：2×20×20mm，鋼管與電池箱穩(wěn)固的焊接起來。

修改設(shè)計后，最大應(yīng)力為76.5MPa作用于電池箱上端四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，最大位移為0.578mm，變形較小，電池箱強度符合汽車行駛的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

電池箱通過在低地板公交車上的實際行駛和驗證，并未發(fā)生開裂、歪曲等不良狀況，現(xiàn)實運行效果良好，符合汽車行駛的要求。

[1]胡付超,王波,林偉,常穎. 純電動城市客車動力電池安全防護(hù)碰撞仿真分析與改進(jìn)[J]. 客車技術(shù)與研究,2017,39(05).

[2]馮富春,楊重科,李彥良,辛雨,高建保. 某電動汽車電池包擠壓仿真分析[J]. 電源世界,2017,(04).