燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)高集成度模塊化設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)某燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求，形成了一套高集成度模塊化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想和方法。利用CATIA 三維建模軟件進(jìn)行集成模塊化布置及非標(biāo)零部件設(shè)計(jì)，并對(duì)集成模塊開(kāi)展了強(qiáng)度和模態(tài)仿真分析，驗(yàn)證該模塊是否滿足設(shè)計(jì)要求；通過(guò)在三維模型集成模塊內(nèi)進(jìn)行虛擬裝配的可行性分析，指導(dǎo)編寫(xiě)了裝配工藝流程。從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整體設(shè)計(jì)、制造到組裝的全過(guò)程中，總結(jié)出一套適用于動(dòng)力系統(tǒng)高集成度模塊化設(shè)計(jì)的可行性開(kāi)發(fā)流程，為加快推動(dòng)燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用和市場(chǎng)化推廣提供設(shè)計(jì)范例和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力系統(tǒng)集成模塊化；三維建模；強(qiáng)度和模態(tài)仿真；裝配工藝流程

0 前言

在由傳統(tǒng)能源向新能源轉(zhuǎn)換的大變革時(shí)代，汽車(chē)領(lǐng)域正面臨由傳統(tǒng)燃油汽車(chē)向新能源汽車(chē)轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)，作為零排放、節(jié)能高效的新型環(huán)保汽車(chē)，燃料電池汽車(chē)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景［1］。目前，我國(guó)燃料電池汽車(chē)處在研究示范向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的發(fā)展階段［2］，部分零部件仍是借用現(xiàn)有的工業(yè)產(chǎn)品，零部件之間適配性、可集成性差，需要針對(duì)性地進(jìn)行匹配開(kāi)發(fā)，這種現(xiàn)狀給動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)［3］。

汽車(chē)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的每個(gè)環(huán)節(jié)都在朝著集成模塊和減少部件成本的方向發(fā)展［4］。動(dòng)力系統(tǒng)集成模塊化設(shè)計(jì)是燃料電池汽車(chē)發(fā)展的技術(shù)方向，也是在燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過(guò)程中必須解決的重要技術(shù)問(wèn)題。在燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，零部件種類(lèi)多而零散，不利于結(jié)構(gòu)布置、集成模塊化設(shè)計(jì)和工藝裝拆，這在一定程度上制約了燃料電池汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化。

基于燃料電池汽車(chē)目前的技術(shù)現(xiàn)狀，本文針對(duì)某燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求，探討了集成模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)，形成了一套高集成度模塊化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想和方法，綜合集成模塊設(shè)計(jì)需求分析、三維建模布置及非標(biāo)件設(shè)計(jì)、強(qiáng)度及模態(tài)仿真分析、裝配工藝流程，總結(jié)了一套可行性集成模塊開(kāi)發(fā)流程。

1 設(shè)計(jì)需求分析

1. 1 集成模塊化設(shè)計(jì)

在動(dòng)力系統(tǒng)集成模塊化設(shè)計(jì)中會(huì)遇到2 類(lèi)問(wèn)題：一是如何確定非標(biāo)零部件外形尺寸；二是預(yù)先給出包絡(luò)空間。對(duì)于前者，功能模塊主要由零部件選型指定，確定外形尺寸，如指定某個(gè)型號(hào)的電堆、空壓機(jī)等，依據(jù)已經(jīng)確定的零部件外形尺寸開(kāi)展非標(biāo)加工件的三維建模設(shè)計(jì)，利用三維建模軟件裝配設(shè)計(jì)功能對(duì)集成模塊內(nèi)部的零部件進(jìn)行優(yōu)化布置設(shè)計(jì)，提出集成模塊體積最優(yōu)化的可行性解決方案。對(duì)于后者，可根據(jù)集成模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)集成模塊包含的非標(biāo)零部件進(jìn)行合理選型或者定向開(kāi)發(fā)如電堆、空壓機(jī)等；對(duì)非標(biāo)加工制造件則進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，如框架、支架、管路等；利用三維建模軟件裝配體設(shè)計(jì)功能對(duì)集成模塊內(nèi)部的零部件進(jìn)行合理布置設(shè)計(jì)，優(yōu)化出集成模塊布置設(shè)計(jì)方案，以滿足預(yù)留的包絡(luò)空間。

1. 2 空間布置設(shè)計(jì)需求分析

動(dòng)力系統(tǒng)集成模塊化設(shè)計(jì)空間布置的思路及要求如下：采用框架集成模塊化設(shè)計(jì)，集成模塊內(nèi)部布置設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮到各零部件均需滿足安裝技術(shù)條件，包括其物理機(jī)械性能、是否相互干涉、是否便于裝拆、電氣安全性及電磁干擾等；為了滿足預(yù)先給定的包絡(luò)空間，依據(jù)空間布置設(shè)計(jì)的非標(biāo)加工件應(yīng)易于加工制造的要求，提出集成模塊最優(yōu)化的體積布置設(shè)計(jì)方案，集成模塊設(shè)計(jì)滿足整車(chē)布置相關(guān)要求。

集成模塊化設(shè)計(jì)的主要工作是在布置階段對(duì)集成模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理分塊并確定內(nèi)部連接方案。在進(jìn)行燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)空間布置設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的因素較多，對(duì)設(shè)計(jì)綜合能力要求較高。為了滿足針對(duì)動(dòng)力模塊零部件的布置設(shè)計(jì)所提出的相關(guān)技術(shù)要求，集成模塊機(jī)械布置設(shè)計(jì)與動(dòng)力模塊物理集成布置設(shè)計(jì)需同步協(xié)調(diào)進(jìn)行，調(diào)整優(yōu)化集成模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)布置。

1. 3 性能需求分析

動(dòng)力系統(tǒng)集成模塊化設(shè)計(jì)的主要功能如下：實(shí)現(xiàn)集成模塊內(nèi)各子系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)集成，以及對(duì)關(guān)鍵部件及水空氫管路、高低壓線提供一定的機(jī)械保護(hù)；實(shí)現(xiàn)集成模塊在整車(chē)上的布置及懸置的可靠性連接；承載車(chē)輛運(yùn)行中產(chǎn)生的各種載荷。

對(duì)集成模塊的功能分析可知，車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到模塊內(nèi)部動(dòng)力部件傳遞的載荷作用和由車(chē)身傳遞的外部載荷作用，因此集成模塊需要滿足承載能力、安全性及抗振性等性能要求。

強(qiáng)度和剛度要求：在強(qiáng)度方面，集成模塊應(yīng)能安全承載其內(nèi)部各子系統(tǒng)零部件，在路面顛簸沖擊、急轉(zhuǎn)彎、急加速、低速碰撞等車(chē)輛行駛工況下，集成模塊無(wú)失效發(fā)生；在剛度方面，集成模塊在靜態(tài)及動(dòng)態(tài)載荷下應(yīng)有足夠的剛度，以滿足動(dòng)力系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及懸置系統(tǒng)的隔振要求。

工作模態(tài)要求：動(dòng)力系統(tǒng)集成模塊的固有頻率應(yīng)區(qū)別于其他零部件的工作固有頻率，避免動(dòng)力模塊內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振，從而滿足集成模塊振動(dòng)試驗(yàn)的抗振性和整車(chē)噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）性能的要求。

2 集成模塊布置及非標(biāo)零部件設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)集成主要由以下模塊組成：電堆組件模塊、空氣子系統(tǒng)模塊、氫氣子系統(tǒng)模塊、冷卻子系統(tǒng)模塊、控制子系統(tǒng)、輔助件模塊（接頭、管路、線束及接插件等）、非標(biāo)設(shè)計(jì)的機(jī)械集成框架和各零部件支架等。

以集成模塊設(shè)計(jì)中已確定外形尺寸的電堆（指定某個(gè)型號(hào)）為例，開(kāi)展集成模塊化設(shè)計(jì)。利用CATIA 三維建模軟件裝配體設(shè)計(jì)功能對(duì)集成模塊內(nèi)部的零部件進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，根據(jù)空間布置進(jìn)行非標(biāo)加工件（框架、支架、管路等）的三維建模設(shè)計(jì)。非標(biāo)件的三維建模設(shè)計(jì)與集成模塊內(nèi)部裝配體布置設(shè)計(jì)交叉協(xié)調(diào)進(jìn)行，需要反復(fù)比對(duì)分析，直到形成一套集成模塊體積最優(yōu)化的可行性解決方案。

2. 1 集成模塊裝配體布置設(shè)計(jì)

采用CATIA 三維建模軟件裝配體功能開(kāi)展布置設(shè)計(jì)，集成模塊化布置設(shè)計(jì)的外觀如圖1 所示，裝配體三維模型如圖2 所示。

2. 2 非標(biāo)零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2. 2. 1 三維建模優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了使空間布置結(jié)構(gòu)緊湊，減小布置長(zhǎng)度方向的尺寸，四通接頭采用橫向90°交叉設(shè)計(jì)，這能夠滿足布置包絡(luò)空間的需求，如圖3 所示。為避免安裝空間干涉，以及兼顧管路加工制造可行性工藝，曲形管路設(shè)計(jì)如圖4 所示。管路連接變徑應(yīng)盡可能緩慢以減少流體阻力，兼顧避免布置空間與其他物件干涉，且便于工藝制造。連接變徑管路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

2. 2. 2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及制造工藝設(shè)計(jì)

結(jié)合集成模塊內(nèi)部裝配體空間布置及非標(biāo)零部件三維建模設(shè)計(jì)，確定非標(biāo)零部件的設(shè)計(jì)尺寸及形狀，設(shè)計(jì)并計(jì)算非標(biāo)件機(jī)械的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，選擇合適的工程材料，編寫(xiě)非標(biāo)件加工工藝流程，為非標(biāo)件設(shè)計(jì)和加工制造提供方案。

3 強(qiáng)度與模態(tài)仿真分析

為滿足動(dòng)力系統(tǒng)集成模塊設(shè)計(jì)的性能要求，按照電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)集成模塊進(jìn)行承載能力和模態(tài)的仿真分析，以保證模塊在各種工況下的可靠性、安全性及抗振性，并通過(guò)仿真分析判斷前期設(shè)計(jì)方案的合理性，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3. 1 集成模塊有限元建模

3. 1. 1 建模說(shuō)明

將集成模塊結(jié)構(gòu)的有限元模型由三維建模軟件CATIA 格式轉(zhuǎn)換為STP 格式，并輸入到HYPERMESH 有限元分析軟件中，經(jīng)過(guò)幾何清理后進(jìn)行有限元單元?jiǎng)澐帧？紤]到每個(gè)零件的特征區(qū)別，本模型針對(duì)整體框架及各零件安裝支架采用殼體單元，針對(duì)電堆模組采用實(shí)體單元，針對(duì)其他零件采用質(zhì)量單元，進(jìn)行建模分析。

3. 1. 2 材料參數(shù)

框架及零件安裝支架為Q 235 材料，屈服強(qiáng)度為235 MPa，采用剛性結(jié)構(gòu)賦密度的方式對(duì)膜加濕器、電堆、中冷器、正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻、壓縮機(jī)和背壓閥進(jìn)行分析，具體參數(shù)如表1 所示。

3. 1. 3 確定約束條件

該動(dòng)力系統(tǒng)集成模塊通過(guò)兩端4 個(gè)支架螺栓固定在外部框架上，將6 個(gè)減振墊放置在外部框架中，通過(guò)4 個(gè)螺栓約束6 個(gè)方向的自由度，通過(guò)6 個(gè)減振墊約束z 軸旋轉(zhuǎn)、x 軸旋轉(zhuǎn)、y 軸旋轉(zhuǎn)3 個(gè)自由度。

3. 1. 4 施加載荷

根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求施加載荷，參數(shù)如表2 所示。其中，g 表示重力加速度。

3. 2 強(qiáng)度及位移仿真分析

制動(dòng)工況下的位移云圖及應(yīng)力云圖分別如圖6和圖7 所示。通過(guò)有限元仿真分析，制動(dòng)工況下集成模塊的最大位移量為0.56 mm，最大應(yīng)力為37.6MPa，其位于PTC 熱敏電阻安裝支架折彎處。

轉(zhuǎn)彎工況下的位移云圖及應(yīng)力云圖分別如圖8和圖9 所示。通過(guò)有限元仿真分析，轉(zhuǎn)彎工況下集成模塊的最大位移量為0.30 mm，最大應(yīng)力為26.7 MPa。

跳動(dòng)工況下位移云圖及應(yīng)力云圖分別如圖10和圖11 所示。通過(guò)有限元仿真分析，跳動(dòng)工況下集成模塊的最大位移量為1.07 mm，最大應(yīng)力為76.6 MPa，其處于PTC 熱敏電阻安裝支架折彎處。

綜上有限元仿真分析結(jié)果，在跳動(dòng)、轉(zhuǎn)彎和制動(dòng)工況下所設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)集成模塊最大應(yīng)力均小于所選材料的屈服極限，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3. 3 自由模態(tài)仿真分析

針對(duì)集成模塊所建模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，去除局部模態(tài)，得到前三階模態(tài)參數(shù)，如表3 所示。不同頻率下的模態(tài)仿真分析結(jié)果如圖12 所示。

查閱文獻(xiàn)資料可知，電動(dòng)汽車(chē)的激振頻率在30 Hz 以下［5］。模態(tài)仿真分析結(jié)果表明，集成模塊的固有頻率與車(chē)輛的激振固有頻率錯(cuò)開(kāi)，設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)抗振性要求。

4 裝配工藝流程編寫(xiě)

裝配工藝流程的分析編寫(xiě)貫穿于集成模塊的整個(gè)設(shè)計(jì)、制造和組裝過(guò)程。集成模塊裝配工藝流程首先要滿足設(shè)計(jì)性能要求，其外形截面形狀應(yīng)易于安裝連接和裝拆，同時(shí)需要充分考慮安裝非標(biāo)件（包括安裝支架、管路、管路接頭及電氣接插件接頭等），以及連接方式（包括可拆卸的螺栓連接和不可拆卸的焊接、鉚接）的便利性。

在集成模塊三維建模布置設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)虛擬裝配進(jìn)行試裝配分析，不斷調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)布置，為集成模塊裝配工藝流程的編寫(xiě)提供依據(jù)。根據(jù)生產(chǎn)制造和組裝過(guò)程中遇到的加工制造及裝配問(wèn)題，可通過(guò)設(shè)計(jì)輔助工裝夾具和優(yōu)化裝配順序，逐步完善改進(jìn)裝配工藝流程。

如圖13 所示，借鑒某款燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成模塊化設(shè)計(jì)裝配工藝流程圖（不考慮蓋板），進(jìn)行本項(xiàng)目的裝配工藝設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)編寫(xiě)的集成模塊工藝流程卡片可用于指導(dǎo)集成模塊的裝配，以及驗(yàn)證工藝流程的可行性和合理性。底層膜增濕器、中冷器、背壓閥、空壓機(jī)、電堆模組及支架等主要部件的裝配布置如圖14 所示?？諝庀到y(tǒng)的管路、接頭等裝配布置如圖15 所示。冷卻系統(tǒng)模塊零部件及管路裝配布置如圖16 所示。氫氣系統(tǒng)及氮?dú)馀艢夤苈返妊b配布置如圖17 所示。組裝完成后的模塊三維模型圖如圖18 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一款燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)，提出了集成模塊化的設(shè)計(jì)思想，并進(jìn)行設(shè)計(jì)需求分析；利用CATIA 三維建模軟件進(jìn)行集成模塊化布置及非標(biāo)零部件設(shè)計(jì)；對(duì)集成模塊開(kāi)展了強(qiáng)度和模態(tài)仿真分析，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足要求；在三維模型集成模塊內(nèi)根據(jù)虛擬裝配的可行性分析，指導(dǎo)編寫(xiě)了裝配工藝流程。本研究從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整體設(shè)計(jì)、制造及組裝過(guò)程中總結(jié)出一套適用于動(dòng)力系統(tǒng)高集成度模塊化設(shè)計(jì)的可行性開(kāi)發(fā)流程，可為加快推動(dòng)燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用和市場(chǎng)化推廣提供設(shè)計(jì)范例和理論依據(jù)。

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