電池懸置對電池箱的影響分析

宋 偉，陳知多，楊佼源

（1.南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部，江蘇 南京 210028；2.南京理工大學，江蘇 南京 210000）

隨著電動汽車的普及，動力電池在汽車領域廣泛應用，電池的懸置形式越來越多樣化［1］。我們常見的動力電池懸置方案可以分平托式和懸掛式，平托式對布置空間的要求比較高，常用在大型電動客車上，而懸掛式廣泛應用于乘用車、物流車、載貨汽車等電動車領域［2］。本文主要針對懸掛式電池懸置的不同連接形式進行研究，分析剛性連接與柔性連接在扭轉(zhuǎn)、垂直振動、加速、制動及轉(zhuǎn)向工況條件下分別對電池箱應力及疲勞壽命的影響，為電池箱的懸置設計提供依據(jù)。

1 電池懸置方案

電池箱分別采用剛性連接和柔性連接兩種方案懸掛于車架縱梁上。剛性連接方案如圖1所示：電池箱兩側(cè)分別固定3個小支架，所有小支架結(jié)構形式完全一樣，均采用鋼材B510L。小支架采用螺栓連接固定于大支架上，大支架再通過螺栓連接固定于車架縱梁上。大支架因需避免與其他零件干涉且需與車架孔位匹配，結(jié)構形式不完全相同，中部大支架材料選擇與小支架相同，選用鋼材B510L沖壓焊接而成，前后兩處大支架為鑄造件，選用QT450-10。

圖1 電池剛性懸置示意圖

柔性連接方案見圖2所示。電池箱兩側(cè)分別固定3個小支架，這些小支架與剛性連接所用小支架結(jié)構形式不同，具體結(jié)構差異詳見圖3，材料同樣采用鋼材B510L。小支架再與硫化橡膠的支持金屬板采用M8螺栓固定，其中硫化橡膠和支持金屬板粘結(jié)為一體，各向剛度相同，均為1000N/mm，硬度值為55SHA，最大拉伸強度為17MPa，支持金屬板采用熱軋鋼SPHC。然后硫化橡膠與大支架通過一個M12的大螺栓連接固定，最后大支架再通過螺栓連接固定于車架縱梁上。大支架避免與其他零件干涉且需與車架孔位匹配，結(jié)構形式不完全相同，大支架全部采用B510L沖壓焊接而成。

圖2 電池柔性懸置示意圖

圖3 電池懸置小支架結(jié)構示意圖

2 試驗

本文采用Nastran軟件仿真計算扭轉(zhuǎn)、Z向跳動、加速、制動、轉(zhuǎn)向等工況電池箱應力值，采用FEMFAT模擬計算扭轉(zhuǎn)及Z向振動工況電池箱疲勞損傷值。具體試驗方法見下文。

扭轉(zhuǎn)試驗約束左、右前輪中心XYZ方向移動自由度，約束左、右后輪中心YZ方向移動自由度。左前輪和右前輪中心的中點處繞X軸強制旋轉(zhuǎn)1°（圖4），計算扭轉(zhuǎn)工況電池箱應力值。扭轉(zhuǎn)±1°10萬次計算電池箱扭轉(zhuǎn)疲勞損傷值。

圖4 扭轉(zhuǎn)模擬計算邊界

垂直振動試驗首先定義Z向垂直跳動-3.5g激勵，計算z向跳動工況電池箱應力值。然后定義Z向直接強迫運動：各方向添加隨頻率變化確定的單位激勵，添加模態(tài)及阻尼卡片等。結(jié)構阻尼系數(shù)0.02，假設橡膠懸置的動剛度是靜剛度的1.025倍設置橡膠阻尼。根據(jù)PSD曲線（圖5）持續(xù)50h計算Z向振動疲勞損傷值。

圖5 PSD曲線

其他工況激勵見表1，根據(jù)表1中激勵計算各工況條件下電池箱應力值。

表1 各工況激勵條件

3 計算結(jié)果及分析

3.1 扭轉(zhuǎn)工況下，不同方案對電池箱體影響

3.1.1 最大應力

圖6a所示為扭轉(zhuǎn)工況下剛性連接方案電池箱所受應力的仿真分析結(jié)果；圖6b所示為扭轉(zhuǎn)工況柔性連接方案電池箱所受應力的仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進行1°扭轉(zhuǎn)仿真試驗得出最大應力值為283MPa，位于拐角最近孔位處。柔性連接方案進行1°仿真試驗最大應力值為68MPa，也位于拐角最近孔位處。由此可見，柔性連接方案可以有效降低電池箱體的扭轉(zhuǎn)應力。這是因為柔性連接方案中硫化橡膠剛度值比較低，允許一定的變形，車輛所受到的扭轉(zhuǎn)應力被硫化橡膠吸收，有效保護了電池箱體。

圖6 扭轉(zhuǎn)工況下電池箱最大應力

3.1.2 疲勞損傷

圖7a所示為扭轉(zhuǎn)工況下剛性連接方案電池箱疲勞損傷的仿真分析結(jié)果；圖7b所示為扭轉(zhuǎn)工況下柔性連接方案電池箱疲勞損傷仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進行1°扭轉(zhuǎn)10萬次仿真試驗得出疲勞損傷值為0.82，位于距離拐角最近孔位處。柔性連接方案進行1°扭轉(zhuǎn)10萬次仿真試驗，疲勞損傷值為8.03×10-4，也位于距離拐角最近孔位處，詳見圖8。由此可見，柔性連接方案電池箱體的扭轉(zhuǎn)疲勞損傷值比剛性連接方案電池箱的扭轉(zhuǎn)疲勞損傷值低3個數(shù)量級，柔性連接方案能顯著提高電池箱的抗扭轉(zhuǎn)疲勞壽命。

圖7 扭轉(zhuǎn)工況下電池箱疲勞損傷

圖8 1°扭轉(zhuǎn)10萬次電池箱疲勞損傷位置圖

3.2 Z向振動工況下，不同方案對電池箱體的影響

3.2.1 最大應力

圖9a所示為Z向-3.5g跳動工況下剛性連接方案電池箱所受應力的仿真分析結(jié)果；圖9b所示為Z向-3.5g跳動工況下柔性連接方案電池箱所受應力的仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進行Z向-3.5g跳動仿真試驗得出最大應力值為313MPa，位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。柔性連接方案進行Z向-3.5g跳動仿真試驗得出最大應力值為706MPa，也位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。兩種連接方案電池箱焊點處應力值均過大，需要對電池箱焊點位置的結(jié)構進行調(diào)整。并且由于柔性連接方案的橡膠彈性會擴大Z向激勵的影響，因此柔性連接方案電池箱的應力值要大得多。

圖9 Z向-3.5g跳動工況電池箱最大應力

3.2.2 疲勞損傷

圖10a所示為Z向PSD曲線振動工況剛性連接方案電池箱疲勞損傷的仿真分析結(jié)果；圖10b所示為Z向PSD曲線振動工況柔性連接方案電池箱疲勞損傷仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進行50h持續(xù)Z向PSD曲線振動仿真試驗得出疲勞損傷值為0.18，位于側(cè)面靠近拐角焊點處。柔性連接方案進行50h持續(xù)Z向PSD曲線振動仿真試驗得出疲勞損傷值為0.42，也位于距離拐角最近孔位處，詳見圖11。由此可見，剛性連接方案電池箱體的Z向PSD曲線振動疲勞損傷值比剛性連接方案電池箱的Z向PSD曲線振動疲勞損傷值低。可見連接方案的Z向剛度值是電池箱疲勞損傷值的關鍵因素，為改善Z向振動的疲勞壽命需要適當提高連接方案的Z向剛度。

圖10 Z向PSD曲線振動工況電池箱疲勞損傷

圖11 Z向隨機振動50h電池箱疲勞損傷位置圖

3.3 加速工況下不同方案對電池箱體的影響

圖12a所示為加速工況下剛性連接方案電池箱所受應力的仿真分析結(jié)果；圖12b所示為加速工況下柔性連接方案電池箱所受應力的仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進行加速仿真試驗得出最大應力值為97MPa，位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。柔性連接方案進行加速仿真試驗得出最大應力值為203MPa，也位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。加速工況有X方向正向激勵及Z向動反力，柔性連接方案放大了Z向動反力的作用，因此柔性方案電池箱焊點處的應力值更大。

圖12 加速工況電池箱最大應力

3.4 制動工況下不同方案對電池箱體的影響

圖13a所示為制動工況下剛性連接方案電池箱所受應力的仿真分析結(jié)果；圖13b所示為制動工況下柔性連接方案電池箱所受應力的仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進行制動仿真試驗得出最大應力值為98MPa，位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。剛性連接方案進行制動仿真試驗得出最大應力值為199MPa，也位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。制動工況與加速工況相似，僅X方向激勵方向與大小不同。制動工況時剛性連接方案與柔性連接方案電池應力值均與加速工況接近，可見X向的激勵對電池箱的受力影響較小。

圖13 制動工況電池箱最大應力

3.5 轉(zhuǎn)向工況下不同方案對箱體的影響

圖14a所示為制動工況下剛性連接方案電池箱所受應力的仿真分析結(jié)果；圖14b所示為制動工況下柔性連接方案電池箱所受應力的仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進行轉(zhuǎn)向仿真試驗得出最大應力值為390MPa，位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。柔性連接方案進行轉(zhuǎn)向仿真試驗得出最大應力值為510MPa，也位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。轉(zhuǎn)向工況有Y方向正向激勵及Z向動反力，同樣是柔性連接方案電池箱焊點處的應力值更大。但是相對加速及制動工況，轉(zhuǎn)向工況應力值明顯增大，可見焊接應力對Y方向的激勵比較敏感。

圖14 轉(zhuǎn)向工況電池箱最大應力

4 結(jié)論

根據(jù)不同工況條件下對剛性方案和柔性方案仿真分析可以得出如下結(jié)論。

1）柔性連接方案可以明顯改善扭轉(zhuǎn)工況的電池箱的應力集中問題，并數(shù)量級提升疲勞壽命。

2）剛性連接方案電池箱在Z向振動工況應力集中及疲勞損傷較小，主要是應力集中及疲勞損傷主要體現(xiàn)在側(cè)面靠近拐角焊點位置，但兩個方案處在同一數(shù)量及水平。

3）加速、制動、轉(zhuǎn)向工況時均為剛性連接方案電池箱最大應力值較小。剛性連接方案電池箱轉(zhuǎn)向時最大應力為390 MPa，柔性連接方案電池箱轉(zhuǎn)向時最大應力為510MPa，并且均在側(cè)面靠近拐角焊點位置，焊點位置需要加強處理。