某輕卡蓄電池及固定支架輕量化設(shè)計(jì)

況江秀，孔 飛，黃海慶

某輕卡蓄電池及固定支架輕量化設(shè)計(jì)

況江秀，孔 飛，黃海慶

（江西五十鈴汽車有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

為落實(shí)國家節(jié)能減排政策要求，開展整車輕量化研究設(shè)計(jì)，減輕輕卡整備質(zhì)量，提升燃油經(jīng)濟(jì)性能，文章的某輕卡采用新型鋰電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉛酸蓄電池，并進(jìn)行抗擠壓性能試驗(yàn)、抗沖擊試驗(yàn)及低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足目標(biāo)要求，蓄電池重量減至5.5 kg，實(shí)現(xiàn)減重15 kg；同時(shí)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真軟件，進(jìn)行蓄電池固定支架輕量化設(shè)計(jì)，以實(shí)車下的蓄電池支架加速度數(shù)據(jù)為輸入激勵(lì)，進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析，試驗(yàn)結(jié)果滿足目標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)減重1.2 kg，輕量化效果顯著。

輕卡鋰電池；蓄電池固定支架；輕量化；CAE分析

中國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，與此同時(shí)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，極大促進(jìn)了電商經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，促使輕卡銷量日益攀升。

輕卡是指車型分類中的N類載貨汽車，最大總質(zhì)量不大于4.5噸的N2類車型，根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的權(quán)威數(shù)據(jù)，2022年全國商用輕卡銷量達(dá)到161.8萬臺(tái)，其中燃油輕卡占輕卡總銷量比高達(dá)85%，巨大的汽車保有量也催生出一系列的問題，尤其是環(huán)境問題影響國家雙碳目標(biāo)達(dá)成及國民呼吸健康指標(biāo)。在確保輕卡整車性能指標(biāo)不降低的前提下，各大輕卡主機(jī)廠都在盡可能減小整備質(zhì)量[1-3]。汽車輕量化技術(shù)，旨在保證整車和零部件的剛強(qiáng)度及安全性能不降低的前提下，開展零部件的輕量化工作，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展。

蓄電池作為輕卡重要的電源系統(tǒng)，直接影響車輛能否正常啟動(dòng)、駕駛室內(nèi)低壓用電設(shè)備能否正常工作[4-5]。目前行業(yè)內(nèi)輕卡蓄電池通常為直流24 V，常見的輕卡蓄電池品牌為風(fēng)帆或駱駝牌的鉛酸蓄電池，單個(gè)蓄電池重量約為21.5 kg。蓄電池固定支架是用于固定安裝蓄電池的重要支撐零件，為半封閉式合蓋剛性結(jié)構(gòu)，其重量通常在10 kg左右。故開展輕卡蓄電池及固定支架的輕量化，可以有效減輕整車重量，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益。

本文結(jié)合目前行業(yè)內(nèi)電池發(fā)展的新趨勢，開展輕卡蓄電池（鋰電池）的輕量化分析，并進(jìn)行相關(guān)的性能試驗(yàn)，可減重15 kg，輕量化效果非常顯著。

同時(shí)本文進(jìn)行蓄電池固定支架輕量化設(shè)計(jì)，采用實(shí)測的加速度激勵(lì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）強(qiáng)度分析，可實(shí)現(xiàn)固定支架減重1.2 kg。

1 某輕卡輕量化鋰電池性能測試與分析

傳統(tǒng)輕卡的蓄電池由于價(jià)格便宜及便利性好，通常采用鉛酸蓄電池，其極板是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液為硫酸的水溶液。但是存在重量大、使用壽命短、硫酸泄漏易腐蝕等缺點(diǎn)，急需開發(fā)一種重量輕、性能穩(wěn)定的蓄電池。

圖1 輕卡輕量化鋰電池

磷酸鐵鋰電池（簡稱鋰電池），如圖1所示，其充電電壓與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相當(dāng)，但具備快充功能，充電時(shí)間提升了70%。傳統(tǒng)鉛酸蓄電池循環(huán)壽命為200～300次，但鋰電池的循環(huán)壽命為1 000次以上，大幅提升了其使用壽命，降低用戶蓄電池更換成本，且重量減輕至5.5 kg，減重高達(dá)15 kg，輕量化效果非常顯著。

1.1 輕量化鋰電池抗擠壓性能試驗(yàn)

輕卡蓄電池通常會(huì)布置于車架縱梁一側(cè)，在行駛過程中的側(cè)碰易導(dǎo)致蓄電池被擠壓碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。故本文首先進(jìn)行輕量化鋰電池的抗擠壓性能試驗(yàn)。

在某工裝試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，一側(cè)為固定剛性板，另一側(cè)采用半圓擠壓柱，勻速施加擠壓載荷，擠壓載荷為5 kN，如圖2所示，試驗(yàn)后鋰電池未起火，未出現(xiàn)爆炸及泄露等事故，性能滿足目標(biāo)要求。

1.2 輕量化鋰電池抗沖擊性能試驗(yàn)

輕卡作為重要的商用車型，后裝可承載1.5～2 t貨物，故向沖擊往往較大，尤其在過坑或減速帶時(shí)，向沖擊高達(dá)5。本文開展了輕量化鋰電池抗沖擊性能試驗(yàn)，將鋰電池固定于一個(gè)剛性基座上面，上端采用一個(gè)緊湊型壓板，施加垂向沖擊載荷，如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示，輕量化鋰電池在相應(yīng)垂向沖擊載荷作用下，無起火和泄露等問題，試驗(yàn)后鋰電池的絕緣電阻不低于90 Ω/V，滿足性能目標(biāo)要求。

圖3 輕量化鋰電池抗沖擊性能試驗(yàn)

1.3 輕量化鋰電池低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)

輕卡其使用場景復(fù)雜多變，既有南方高溫天氣，又有北方寒冷環(huán)境。因此，蓄電池需要保證在各種復(fù)雜環(huán)境條件下均具有良好的啟動(dòng)性能。本文在某環(huán)模試驗(yàn)室，對輕量化鋰電池進(jìn)行整車低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)，如圖4所示，試樣樣車數(shù)量為兩臺(tái)，環(huán)境溫度為-30 ℃，放置時(shí)間8 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，在-18 ℃溫度下，啟動(dòng)電流達(dá)到300 A，5 s電壓為15.9 V，在1 000個(gè)循環(huán)后，容量保持率達(dá)到91%，在低溫環(huán)境下，輕量化鋰電池24 V10 Ah在50%荷電狀態(tài)下，三次點(diǎn)火均成功，滿足啟動(dòng)性能目標(biāo)要求。

2 某輕卡蓄電池固定支架輕量化設(shè)計(jì)

蓄電池固定支架是蓄電池固定安裝基體，屬于盒蓋封閉式剛性體，從力學(xué)角度可簡化為懸臂件，安裝于輕卡車架縱梁一側(cè)。本文開展某輕卡蓄電池固定支架結(jié)構(gòu)對比分析及輕量化設(shè)計(jì)，根據(jù)材料力學(xué)懸臂件力學(xué)理論，對基礎(chǔ)方案的底板及側(cè)板進(jìn)行減重孔設(shè)計(jì)，并減少料厚至0.8 mm，實(shí)現(xiàn)減重1.2 kg，如圖5所示。

圖5 蓄電池固定支架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和輕量化結(jié)構(gòu)

本文采用某綜合試驗(yàn)場采集的實(shí)車路譜的加速度數(shù)據(jù)，運(yùn)用HyperWorks軟件，建立輕量化蓄電池固定支架有限元模型，網(wǎng)格大小為3 mm，材料為DCO1，彈性模量為21 000 MPa，泊松比為0.3。固定支架安裝于車架縱梁一側(cè)，進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖6所示。其中，向5工況下支架最大應(yīng)力為264 MPa，向5工況下支架最大應(yīng)力為76 MPa，向5工況下支架最大應(yīng)力為135 MPa，均小于材料屈服強(qiáng)度420 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文基于電池新材料和有限元理論，進(jìn)行鋰電池的輕量設(shè)計(jì)及驗(yàn)證、固定支架的輕量化設(shè)計(jì)及CAE分析，得到如下結(jié)論：

1）采用鋰電池重量可減至5.5 kg，實(shí)現(xiàn)減重15 kg，輕量化效果非常顯著，同時(shí)進(jìn)行抗擠壓性能試驗(yàn)、抗沖擊試驗(yàn)及低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足目標(biāo)要求；

2）運(yùn)用CAE仿真軟件，進(jìn)行蓄電池固定支架輕量化設(shè)計(jì)，在滿足強(qiáng)度的要求下減重1.2 kg，輕量化效果顯著。

[1] 周冬龍.基于虛擬迭代的某輕卡后橋疲勞分析研究[D].太原:中北大學(xué),2019.

[2] 胡銀蘋,陳騰飛,張珂.簡述輕量化上裝的有限元分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019,44(24):24-28.

[3] 童波,邵慶賢,湯艷,等.結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新材料技術(shù)對商用車輕量化的影響[J].汽車零部件,2015(4):36-39.

[4] 黃勤,何帆影,宋磊,等.基于有限元方法的某輕卡車架性能研究[J].汽車實(shí)用技術(shù), 2020,45(7):89-91.

[5] 黃勤,劉風(fēng)華,何帆影,等.基于Nastran的某輕卡ECU支架共振問題優(yōu)化研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2020,45 (9):146-147.

Lightweight Design of a Light Truck Battery and Fixed Support

KUANG Jiangxiu, KONG Fei, HUANG Haiqing

( Product Development Technology Center, Jiangxi ISUZU Motors Company Limited, Nanchang 330001, China )

To implement the national energy-saving and emission reduction policy requirements, carry out research and design on vehicle lightweight, reduce the curb weight of light trucks, and improve fuel economy performance, a light truck in this article uses a new type of lithium battery instead of the traditional lead-acid battery, and carries out extrusion resistance test, impact resistance test and cold start test.The test results meet the target requirements, and the weight of the battery is reduced to 5.5 kg, achieving a weight loss of 15 kg. At the same time, computer aided engineering(CAE) simulation software is used to carry out lightweight design of the battery fixing bracket, and the acceleration data of the battery bracket under the real vehicle is used as the input incentive to carry out CAE strength analysis. The test results meet the target requirements, and the weight is reduced by 1.2 kg, and the lightweight effect is remarkable.

Light truck lithium battery; Battery fixing bracket; Lightweight; CAE analysis

U463

A

1671-7988(2023)20-93-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.018

況江秀（1988－），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，E-mail:122710963@qq.com。