基于混合動力汽車的動力電池支架結構性能研究

趙俊男 王曉娟 于洋 張鴻鈞 張寶航 郭川川

摘 要：文章基于混合動力汽車，以動力電池支架為研究對象，根據(jù)動力電池支架設計原則，使用CATIA軟件設計一種動力電池支架方案，通過有限元技術對該方案的結構進行了模態(tài)分析、沖擊強度分析、正面碰撞模擬分析，和安裝螺栓受力分析，該方案的結構性能滿足設計原則要求，實現(xiàn)了在最小空間里穩(wěn)定地固定動力電池，有效地防止電池晃動;同時可以降低重量，有利于整車輕量化，減少模具費用，節(jié)約成本，提升了生產效率，獲得項目組認可。

關鍵詞：?混合動力;電池支架;結構性能;輕量化

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-24-04

Structure Performance Analysis?of Power Battery Bracket?based on Hybrid Electric Car

Zhao Junnan， Wang Xiaojuan， Yu Yang， Zhang Hongjun， Zhang Baohang， Guo Chuanchuan

（ Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Zhejiang Ningbo 315336 ）

Abstract：?This paper takes power battery bracket as the research object based on a hybrid electric car. According to design principles of the power battery bracket， a power battery bracket is designed by using CATIA software. By finite element technology， structure modal analysis， strength analysis， frontal crash simulation analysis， and installation bolt stress analysis of the scheme are calculated， and structure performance of the scheme satisfies the requirement of the design principles. The scheme steadily fixes power battery in the smallest space， and prevents the battery's shaking effectively; the scheme can reduce weight， and be helpful for the vehicle light weighting， and reduce the mold cost， and improve the production efficiency， obtains programs approval.

Keywords： Hybrid electric; Battery bracket; Structural performance; lightweight

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-24-04

前言

隨著科技的進步，汽車行業(yè)得到了飛速地發(fā)展，使得全球汽車保有量正在持續(xù)上升，而汽車的保有量迅速增長又導致能源緊缺和環(huán)境污染問題日益加劇。因此，國家制定的相關法規(guī)也越來越嚴格，國內外主流汽車生產商都選擇發(fā)展新能源汽車來解決當前的能源和環(huán)境危機。

混合動力汽車是以兩種或以上的動力源來提供動力的新能源汽車中的一種，具有簡單的結構布置，多樣化的動力源，易于使用維護等優(yōu)點。而油電混合動力汽車是當前混合動力汽車中最容易實現(xiàn)量產化的一種形式，根據(jù)電機布置型式不同，可以分為P0、P1、P2、P3和P4混合動力型式，如圖1所示。

本文綜合考慮成本和節(jié)油兩方面，采用P0型式，使用48V-BSG系統(tǒng)方案，實現(xiàn)以最低的成本完成所能達到最大的節(jié)油效果。其中動力電池是該方案的能量中心，既可以提供電力，又可以收集并儲存電能， 動力電池固定方式的可靠和牢固性直接影響本身的使用壽命和整車安全性。在現(xiàn)有技術中，動力電池一般布置在車身底盤下方，固定方式采用壓桿或者緊固帶將48V電池固定在車架上。為了避免在碰撞和沖擊等情況下發(fā)生晃動，保證固定的可靠性，這種固定方式通常占據(jù)空間大，本身重量較重，與整車輕量化理念背道而馳;而且在裝配過程中，影響批量生產的節(jié)拍。因此，本文還兼顧整車輕量化理念，在最小空間里實現(xiàn)動力電池穩(wěn)定固定，進而提高汽車行駛的可靠性和安全性。本文使用CATIA軟件建立動力電池支架三維數(shù)模，再運用有限元技術，對其結構進行了靜態(tài)特性、約束模態(tài)、正面碰撞模擬分析，和安裝螺栓匹配分析，最后該方案的結構性能滿足要求，制作工裝件，搭載整車道路耐久試驗，獲得項目組認可。

1 動力電池支架結構設計原則

1.1 結構形式

本文動力電池固定方式是由兩個相同的動力電池支架，四個M8螺栓和四個M6螺栓組成的。將動力電池用兩個相同的動力電池支架通過四個M8螺栓固定在車架底板上，距離地面的高度為380mm，其中應該兩端反向對接地裝配兩個動力電池支架，M8螺栓安裝力矩為24±4Nm;再將兩個相同的動力電池支架用四個M6螺栓相互固定，M6螺栓安裝力矩為10±1.5Nm，如圖2所示。

其中動力電池支架結構包括四個M6螺栓安裝孔，四個M8螺栓安裝孔，一個線束固定孔，兩個加強筋，一個凹形限位，一個壓邊限位和兩個M6螺母，如圖3所示。

本文建立整車坐標系，定義X軸是指向車輛前進方向，Y軸是指向車輛左側，Z軸是指向車輛垂直上方。如圖4和圖5所示，動力電池支架上壓邊限位分別與動力電池前后端斜面凸臺貼合，夾角為33.5°，可以有效地限制動力電池的X和Z軸晃動;動力電池支架上凹形限位分別與動力電池左右凹槽貼合，斜面貼合夾角為135°，形成錐角為1.1°，可以有效地限制動力電池的Y和Z軸晃動。兩個加強筋可以有效地增加壓板結構的強度和剛度，更可靠地固定動力電池。另外，線束固定安裝孔為48V電池接地線提供支撐點。按照以上要求，通過CATIA軟件建立動力電池支架三維數(shù)模，為后續(xù)建立有限元模型提供了依據(jù)。

1.2?設計要求

動力電池支架是固定動力電池的主要功能件，其設計要求有以下幾方面：

（1）要求其一階模態(tài)在約束條件下固有頻率大于30Hz，以避免在車輛正常行駛狀態(tài)下支架與路面隨機激勵之間產生共振，影響固定的可靠性;

（2）由于支架承受著垂向顛簸、前進制動、倒車制動、左轉彎、右轉彎等工況下的沖擊載荷，要求其結構具有一定的強度。根據(jù)道路試驗載荷采集結果分析，本文在X和Y軸方向上施加3G加速度，在Z軸方向上施加5G加速度，其結構上所承受的最大應力小于材料的屈服強度;

（3）在碰撞過程中，既要保證動力電池固定穩(wěn)定，避免發(fā)生飛脫和變形過大，又要保證支架所承受的最大主應力小于材料的90%抗拉強度;

（4）要求安裝螺栓的屈服力和安裝力矩所產生的摩擦力大于螺栓所承受的最大沖擊力，避免產生螺栓滑移和損壞。

以上要求，為后續(xù)結構性能分析提供了評價基準。

2?動力電池支架結構性能分析

動力電池支架是主要通過鈑金沖壓成型，材料采用HC300LA鋼板，厚度為2mm，要求表面電泳黑漆，增加防腐蝕性能，材料性能參數(shù)如表1。本文動力電池支架結構性能分析包括約束條件下模態(tài)分析，沖擊強度分析，正面碰撞模擬分析，安裝螺栓受力分析。

2.1?模態(tài)分析

將動力電池及其支架裝配，進行網(wǎng)格劃分，對支架上螺栓孔采用固定約束，如圖6所示，通過Nastran SOL 103計算模態(tài)分析，計算結果如圖7所示，得到第一階模態(tài)為40.12Hz，大于目標值30Hz，滿足模態(tài)設計要求。

2.2?沖擊強度分析

將上述設置約束模型基礎上，壓邊限位和凹形限位采用剛性連接，在X，Y和Z軸方向上分別施加3G，3G和5G加速度，通過Nastran SOL 101對X，Y和Z軸三個方向分析計算強度分析，計算結果如圖8所示。

根據(jù)計算結果可知，在X，Y和Z軸三個方向上，動力電池支架所承受的最大應力分別為74.4MPa，159.6MPa和283.7MPa，其最大應力值小于材料的屈服強度316MPa，滿足強度設計要求。

2.3?碰撞模擬分析

本文由于缺少整車模型，根據(jù)碰撞試驗條件要求，僅對動力電池及其支架進行100%正面碰撞模擬分析，而在實際使用過程中，動力電池是固定在汽車車架底板上，在汽車發(fā)生碰撞事故時，動力電池及其支架不會與物體發(fā)生直接撞擊。因此，在100%正面碰撞模擬分析中，對上述模型在X軸上施加動態(tài)加速度曲線，如圖9所示。

通過碰撞分析軟件計算，得到動力電池及其支架整體變形圖和最大變形圖，如圖10和11所示。由此圖可知，動力電池支架無集中變形，動力電池固定穩(wěn)定，未發(fā)生飛脫，滿足碰撞設計要求。

對上述模型在X軸方向上施加100%正面碰撞時最大加速度，通過軟件計算，得到動力支架主應力圖，如圖12所示。根據(jù)計算結果可知，動力支架在碰撞過程中所承受的最大主應力為378.5Mpa，其值小于材料的90%抗拉強度382.5Mpa，滿足設計要求。

2.4?安裝螺栓受力分析

根據(jù)動力電池固定結構形式可知，四個M8螺栓是受力的主要承載體。通過對各種工況載荷分析，100%正面碰撞工況產生的沖擊載荷是最大的，其最大加速度為38.4G。選取某一個M8螺栓作為分析對象，可得受力分析，如圖13所示。定義動力電池重量為m=21kg，動力電池慣性加速度為a=38.4G，G為重力加速度，動力電池慣性力為F，單個螺栓承受的沖擊剪切力為F_s，安全系數(shù)為1.2，忽略動力電池支架和螺栓的本身重量。

由受力分析可得：

因此，單個螺栓承受的沖擊剪切力約為2.37KN。

根據(jù)標準件供應商提供螺栓性能參數(shù)（如表2所示）可知，螺栓的摩擦力為3.2KN，屈服剪切力為4.0KN，都大于螺栓承受的沖擊剪切力，不能產生滑移和折斷，滿足安裝螺栓受力要求。

3 試驗驗證

在本文研究的基礎上，由于項目進度和試驗條件的限制，現(xiàn)階段對動力電池支架未進行試驗驗證。后續(xù)，本文將該方案制作成樣件，對樣件分別驗證系統(tǒng)振動試驗和整車試驗。

3.1?系統(tǒng)振動試驗

將動力電池及其支架安裝在振動試驗臺上，M8螺栓安裝力矩為24±4Nm，M6螺栓安裝力矩為10±1.5Nm。對整個系統(tǒng)進行隨機振動試驗，其中頻率值和功率譜密度值如表3所示。試驗條件如下：

（1）試驗溫度：+23℃±5℃;

（2）試驗時間：在X，Y和Z軸方向分別是20h，20h，80h，每24h查一次試驗件狀態(tài)，試驗前后檢查螺栓力矩。

試驗評價標準：在整個試驗過程中，動力電池支架沒有功能失效，不能產生裂紋;動力電池不能發(fā)生飛脫和損壞;

試驗后測量螺栓扭矩應大于5Nm。

3.2?整車試驗

按照裝配工藝將動力電池及其支架安裝到整車上，M8螺栓安裝力矩為24±4Nm，M6螺栓安裝力矩為10±1.5Nm。將整車進行車體隨機振動臺架試驗，整車道路耐久試驗和正面碰撞試驗。由于每個試驗都有完善的企業(yè)標準，本文就不必做詳細介紹。每個試驗評價標準如下：

（1）動力電池不能發(fā)生脫落和嚴重變形;

（2）動力電池支架在整個試驗過程中沒有功能失效，不能產生裂紋;

（3）試驗后螺栓扭矩應大于5Nm。

在項目后期試驗驗證階段，本文將對動力電池支架進行完整的試驗驗證，證明其結構性能分析的可靠性和準確性。

4 總結

本文是以混合動力汽車動力電池支架為研究對象，首先根據(jù)動力電池支架設計原則，使用CATIA軟件設計一種動力電池支架方案，再運用有限元技術，對該方案的結構進行了模態(tài)分析、強度分析、正面碰撞模擬分析，和安裝螺栓受力分析，最后該方案的結構性能滿足設計原則要求，后續(xù)制作工裝件，搭載系統(tǒng)振動試驗和整車試驗驗證。本方案結構緊湊，在最小空間里實現(xiàn)動力電池穩(wěn)定地固定，有效地防止電池晃動;本身重量輕，有利于整車輕量化;減少零部件數(shù)量，節(jié)約模具費用成本;提高操作工的工作效率，進而提升了生產效率，獲得項目組認可。

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