48V混合動力電池系統(tǒng)設(shè)計及仿真分析

喬紅嬌 戴道成 吳寶 劉成 林志宏

摘 要：文章基于某車企一款車型需求，研發(fā)設(shè)計一款緊湊、高效、節(jié)能的48V混動系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行CAE機(jī)械可靠性和CFD熱仿真分析。仿真結(jié)果表明該款48V混動系統(tǒng)具有良好的安全可靠性，滿足客戶的性能指標(biāo)要求，同時也驗證了該款48V混動系統(tǒng)設(shè)計的可行性。仿真結(jié)果可為后續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗驗證提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：48V混動系統(tǒng);CAE機(jī)械可靠性分析;CFD熱仿真分析

中圖分類號：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-18-05

Abstract： Based on the demand develop efficient and energy-saving 48V hybrid system， and performs CAE mechanical reliability and CFD thermal simulation analysis on the system. The simulation results show that the 48V hybrid system has good safety and reliability， meets the customer's performance index requirements， and also verifies the feasibility of the 48V hybrid system design.The simulation results can provide a theoretical basis for subsequent system structure optimization and experimental verification.

Keywords： 48V hybrid system; CAE mechanical reliability analysis; CFD thermal simulation analysis

前言

隨著油耗和排放法規(guī)的限制越來越嚴(yán)格，節(jié)能減排已從政策層面演化為每個車企的技術(shù)要求[1-2]。由于混合動力汽車的成本較高，很多整車和零部件制造商都在針對混合動力汽車設(shè)計一種低成本的解決方案，其中最為有效的方案是設(shè)計一種48V輕度混合動力系統(tǒng)[3-4]。與傳統(tǒng)動力系統(tǒng)相比，48動力系統(tǒng)增加了電機(jī)和電池等設(shè)備，能夠配合發(fā)動機(jī)一起輸出動力，因此，48V動力系統(tǒng)具有混合動力的效果[5]。48V動力系統(tǒng)是用電量小于一度電的功率型電池替代傳統(tǒng)的鉛酸電池，用BSG電機(jī)替代傳統(tǒng)的啟動電機(jī)和發(fā)電機(jī)，除自動啟停功能之外，還能夠在必要的時候，為車輛提供輔助動力。因此搭載了48 V系統(tǒng)的汽車，將具備制動能量回收、扭矩輔助、滑行起停、怠速起停、降低起動噪聲、降低油耗、減少排放等功能，給人們帶來了經(jīng)濟(jì)舒適的駕乘體驗[6]。

本文以傳統(tǒng)乘用車為研究對象，設(shè)計一款緊湊、高效、節(jié)能的48V混動系統(tǒng)，通過CAE和CFD仿真分析，結(jié)果證明該48V混動系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

1 48V動力系統(tǒng)的架構(gòu)及主要功能

在整車48V動力系統(tǒng)中，48V P0系統(tǒng)屬于48V動力系統(tǒng)中的基礎(chǔ)方案，實現(xiàn)簡單且成本較低。48V動力系統(tǒng)是在保留原有12V電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)上額外增加獨立的48V電池系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)之間通過一個DC/DC雙向轉(zhuǎn)換器連接，從混合動力的結(jié)構(gòu)上分類屬于并聯(lián)式，如下圖1所示。汽車娛樂系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、ECU等傳統(tǒng)低功率負(fù)載連接12V電池系統(tǒng)，由12V電池系統(tǒng)供電。汽車主動底盤系統(tǒng)、電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)加熱系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)、除霜除霧系統(tǒng)、再生制動系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)等大功率負(fù)載系統(tǒng)連接48V電池系統(tǒng)，從而有效改善常規(guī)電網(wǎng)負(fù)荷，最大程度地實現(xiàn)整車節(jié)能減排的目標(biāo)[7]。

目前，48 V系統(tǒng)的主要功能包括：啟停功能（優(yōu)先啟動、怠速啟停、滑行啟停）、電動助力（電怠速、電爬行）、能量回收（滑行、制動）、扭矩分配、支持ECO/SPORT模式和電源管理等。

在48V系統(tǒng)沒有故障、48V系統(tǒng)電量和其它條件滿足要求的情況下，首次啟動通過48V電池給48V電機(jī)提供能量，啟動發(fā)動機(jī)，實現(xiàn)48V首次啟動優(yōu)先功能。整車在行駛過程中，根據(jù)駕駛需求，可以控制48V扭矩的輸出能力，實現(xiàn)48V系統(tǒng)的扭矩分配和助力功能;當(dāng)整車在行駛過程中，不需要額外的能量時，48V系統(tǒng)可以通過48V電機(jī)收集多余的能量，給48V電池補電，實現(xiàn)能量回收功能。當(dāng)12V電池的電量不滿足整車需求時，48V電池可以通過48V/12V雙向DC/DC給12V電池提供能量，保障整車用電量需求[8]。因此設(shè)計一款緊湊、高效、節(jié)能的48V混動系統(tǒng)能夠讓BSG實現(xiàn)高效的發(fā)動機(jī)啟動技術(shù)必不可少。研究表明，單這一項技術(shù)就可以降低大約10%-15%左右的燃油消耗量，對汽車尾氣排放有很大改善。

2 48V動力系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)某車企一款SUV車型需求設(shè)計的該款48V動力啟停系統(tǒng)，包括箱體、箱蓋、繼電器、熔斷器、串聯(lián)銅排、電池組、正負(fù)極柱等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。電池箱體內(nèi)設(shè)計有一個電池模組，通過螺栓與電池箱體底部凸臺緊固。電池箱體一端部設(shè)計有繼電器和熔斷器，通過串聯(lián)銅排連接，并通過總正連接排和正極柱引出電池總正。電池箱體的一側(cè)設(shè)計有BMS，通過BMS固定座安裝在箱體內(nèi)部，并通過串聯(lián)銅排、總負(fù)連接排和負(fù)極柱連接，引出電池總負(fù)。低壓接插件設(shè)計在電池箱體的下端部，電池箱體和箱蓋通過卡扣和螺絲緊固密封。該款48V電池動力系統(tǒng)采用自然冷卻方式散熱，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單緊湊、布局合理，且集成度高，便于裝配和維修。電池系統(tǒng)通過低壓接插件與整車通訊連接，實現(xiàn)整車對電池系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，提高電池系統(tǒng)安全性。

3 48V動力系統(tǒng)機(jī)械可靠性分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響產(chǎn)品的使用性能，在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)初期合理地可靠性設(shè)計和分析對減少投入資金，提高產(chǎn)品的固有性能有著重要的作用。因此需要對該款48V動力系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械可靠性分析。

3.1 48V系統(tǒng)模態(tài)分析

模態(tài)分析是對該48V動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析，通過分析來確定該48V系統(tǒng)的振動特性。

本文使用Hypermesh軟件，采用Block Lanczos 算法對48V動力系統(tǒng)進(jìn)行約束模態(tài)分析，約束位置為箱體和車身安裝連接處。在CAE前處理過程中對電芯材料根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行簡化，箱體材料采用ZL108壓鑄鋁、箱蓋及蓋板等塑料材料為ABS+PC，側(cè)板、端板為6063鋁，內(nèi)部簡化后，總重約7.0kg。

計算結(jié)果表明第一階固有頻率為156Hz，主要表現(xiàn)為模組Z向左右擺動，結(jié)合慣性力結(jié)果及GB/T31467.3-2015振動標(biāo)準(zhǔn)，一階固有頻率值大于目標(biāo)值50 Hz，因此不會與車體發(fā)生共振，說明該系統(tǒng)具有良好的剛度，滿足設(shè)計要求。

3.2 48V系統(tǒng)強(qiáng)度分析

對48V系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析的同時也需要對該系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析校核，以確定該系統(tǒng)具有良好的強(qiáng)度。在箱體有限元模型的左右兩側(cè)施加全約束，以模擬該箱體系統(tǒng)與車身連接的固定方式，并對該系統(tǒng)施加慣性載荷及加速度，以模擬該系統(tǒng)實際受力情況。

對箱體系統(tǒng)按下列加速度的慣性力進(jìn)行強(qiáng)度校核：對箱體系統(tǒng)的縱向即X（加速度及剎車）方向施加5g慣性力載荷;對箱體系統(tǒng)的橫向即Y（急轉(zhuǎn)彎）方向施加5g慣性力載荷;對箱體系統(tǒng)的垂向即Z（路面坑洞）方向施加8g慣性力載荷，計算該系統(tǒng)在合成應(yīng)力下的受力情況。計算應(yīng)力云圖如下圖7-圖9所示。

計算結(jié)果表明：X向加載箱體最大應(yīng)力為10.2MPa小于箱體屈服強(qiáng)度195MPa，如圖7所示，圖中紅色部分為應(yīng)力水平超過5MPa部分，最大應(yīng)力位于箱體與端板安裝的螺栓孔處;Y向加載電池箱體最大應(yīng)力為8.6MPa小于箱體屈服強(qiáng)度195MPa，如圖8所示，圖中紅色部分為應(yīng)力水平超過5MPa部分，最大應(yīng)力位于箱體與端板安裝的螺栓孔處;Z向加載電池箱體最大應(yīng)力為8.604MPa小于箱體屈服強(qiáng)度195MPa，如圖9所示，圖中紅色部分為應(yīng)力水平超過5MPa部分，最大應(yīng)力位于箱體側(cè)邊和底邊連接處。

三個方向的應(yīng)力均遠(yuǎn)小于箱體的許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，為此可驗證該48V系統(tǒng)箱體結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

3.3 48V系統(tǒng)擠壓性能分析

為保證該48V動力系統(tǒng)的正常工作，GB/T中對電池包的擠壓性能也提出了要求。分析的目的就是通過計算機(jī)仿真的方法檢驗電池包是否可以滿足國標(biāo)對電池包擠壓性能的要求。

對電池包進(jìn)行X方向擠壓模擬，電池箱體受到擠壓后整體變形情況為：隨著擠壓的進(jìn)行，擠壓面的接觸力不斷攀升，當(dāng)擠壓力達(dá)到100kN時，擠壓板前進(jìn)了12.5mm，未超過x向尺寸30%，電芯最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.9%，變形量較小，電芯漏液，起火，爆炸風(fēng)險較小，滿足設(shè)計要求，后續(xù)可通過試驗加以驗證，分別如圖10～13所示。

對電池包進(jìn)行Y向擠壓模擬，電池箱體受到擠壓后整體變形情況為：隨著擠壓的進(jìn)行，擠壓面的接觸力不斷攀升，當(dāng)擠壓力達(dá)到100kN時，擠壓板前進(jìn)了17mm，未達(dá)到整體尺寸30%，電芯最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.1%，變形量較小，電芯漏液，起火，爆炸風(fēng)險較小，滿足設(shè)計要求，后續(xù)可通過試驗加以驗證，分別如圖14～17所示。

上述對電池包進(jìn)行了擠壓分析，計算結(jié)果表明該電池系統(tǒng)變形小，滿足設(shè)計要求。對電池包的抗擠壓特性進(jìn)行合理的分析和評估可以減少設(shè)計周期，降低風(fēng)險，保證電池包能滿足安全性能的要求，同時保證零件的局部強(qiáng)度性能。

4 48V動力系統(tǒng)熱管理分析

動力電池系統(tǒng)長期處于極端的環(huán)境下工作，不僅會造成使用壽命的縮短，也會帶來安全隱患，因此設(shè)計一款具有良好的熱管理系統(tǒng)的電池系統(tǒng)可以保證動力電池在運行過程中始終保持在合適的溫度范圍內(nèi)，不僅可以滿足高的動力性輸出，同時可以保障整車的使用安全[9]。

本文利用CFD技術(shù)對48V動力系統(tǒng)的NEDC和WLTP兩種工況進(jìn)行仿真分析，其仿真工況和分析結(jié)果如下文所示。

4.1 NEDC工況仿真

仿真工況：電芯容量10Ah，直流內(nèi)阻1.6mΩ;環(huán)境溫度25℃;NEDC工況充放電;計算時長為2880s，并對電池組監(jiān)控點進(jìn)行布置如圖20所示。NEDC工況電流-時間曲線和NEDC工況一個循環(huán)發(fā)熱功率-時間曲線如下圖18-19所示。仿真分析結(jié)果如下圖21電池溫度分布和圖22電池監(jiān)控點溫度曲線所示。圖中表明：電池監(jiān)控點最高溫度為70℃，小于電池最大工作溫度75℃;電池間溫差為4.2℃，小于5℃，滿足客戶設(shè)定的目標(biāo)值，后續(xù)可通過試驗來進(jìn)一步驗證。

4.2 WLTP工況仿真

仿真工況：電芯容量10Ah，直流內(nèi)阻1.6mΩ;環(huán)境溫度25℃ ;WTLP工況充放電;計算時長為2452s，并對電池組監(jiān)控點進(jìn)行布置如圖20所示。WTLP工況電流-時間曲線和WTLP工況一個循環(huán)發(fā)熱功率-時間曲線如下圖23-24所示。仿真分析結(jié)果如下圖25電池溫度分布和圖26電池監(jiān)控點溫度曲線所示。圖中表明：電池監(jiān)控點最高溫度為70℃，小于電池最大工作溫度75℃;電池間溫差為4.1℃，小于5℃，滿足客戶設(shè)定的目標(biāo)值。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款48V動力系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的架構(gòu)、主要功能進(jìn)行了介紹，并對整體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了分析說明。文章基于CAE和CFD仿真軟件對48V動力系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械可靠性分析和熱仿真分析。分析結(jié)果表明：該系統(tǒng)機(jī)械性能可靠，熱仿真分析結(jié)果滿足客戶需求。該結(jié)果可為后續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗提供一定的依據(jù)，對電池系統(tǒng)安全性和可靠性的提高，起到了一定的促進(jìn)作用。

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