新材料与工艺手册

基于混合动力汽车的动力电池支架结构性能研究

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发表于 2020-8-31 18:03:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】基于混合动力汽车的动力电池支架结构性能研究
赵俊男,王晓娟,于洋,张鸿钧,张宝航,郭川川
(吉利汽车研究院(宁波)有限公司,浙江 宁波 315336)
摘 要:文章基于混合动力汽车,以动力电池支架为研究对象,根据动力电池支架设计原则,使用CATIA 软件设计一种动力电池支架方案,通过有限元技术对该方案的结构进行了模态分析、冲击强度分析、正面碰撞模拟分析,和安装螺栓受力分析,该方案的结构性能满足设计原则要求,实现了在最小空间里稳定地固定动力电池,有效地防止电池晃动;同时可以降低重量,有利于整车轻量化,减少模具费用,节约成本,提升了生产效率,获得项目组认可。
关键词: 混合动力;电池支架;结构性能;轻量化
前言

随着科技的进步,汽车行业得到了飞速地发展,使得全球汽车保有量正在持续上升,而汽车的保有量迅速增长又导致能源紧缺和环境污染问题日益加剧。因此,国家制定的相关法规也越来越严格,国内外主流汽车生产商都选择发展新能源汽车来解决当前的能源和环境危机。

混合动力汽车是以两种或以上的动力源来提供动力的新能源汽车中的一种,具有简单的结构布置,多样化的动力源,易于使用维护等优点。而油电混合动力汽车是当前混合动力汽车中最容易实现量产化的一种形式,根据电机布置型式不同,可以分为P0、P1、P2、P3 和P4 混合动力型式,如图1所示。

本文综合考虑成本和节油两方面,采用P0 型式,使用48V-BSG 系统方案,实现以最低的成本完成所能达到最大的节油效果。其中动力电池是该方案的能量中心,既可以提供电力,又可以收集并储存电能, 动力电池固定方式的可靠和牢固性直接影响本身的使用寿命和整车安全性。在现有技术中,动力电池一般布置在车身底盘下方,固定方式采用压杆或者紧固带将48V 电池固定在车架上。为了避免在碰撞和冲击等情况下发生晃动,保证固定的可靠性,这种固定方式通常占据空间大,本身重量较重,与整车轻量化理念背道而驰;而且在装配过程中,影响批量生产的节拍。因此,本文还兼顾整车轻量化理念,在最小空间里实现动力电池稳定固定,进而提高汽车行驶的可靠性和安全性。本文使用CATIA 软件建立动力电池支架三维数模,再运用有限元技术,对其结构进行了静态特性、约束模态、正面碰撞模拟分析,和安装螺栓匹配分析,最后该方案的结构性能满足要求,制作工装件,搭载整车道路耐久试验,获得项目组认可。

图1 电动机布置型式

1 动力电池支架结构设计原则1.1 结构形式

本文动力电池固定方式是由两个相同的动力电池支架,四个M8 螺栓和四个M6 螺栓组成的。将动力电池用两个相同的动力电池支架通过四个M8 螺栓固定在车架底板上,距离地面的高度为380mm,其中应该两端反向对接地装配两个动力电池支架,M8 螺栓安装力矩为24±4Nm;再将两个相同的动力电池支架用四个M6 螺栓相互固定,M6 螺栓安装力矩为10±1.5Nm,如图2 所示。

图2 动力电池固定装配图

其中动力电池支架结构包括四个M6 螺栓安装孔,四个M8 螺栓安装孔,一个线束固定孔,两个加强筋,一个凹形限位,一个压边限位和两个M6 螺母,如图3 所示。

图3 动力电池支架结构图

本文建立整车坐标系,定义X 轴是指向车辆前进方向,Y轴是指向车辆左侧,Z 轴是指向车辆垂直上方。如图4 和图5所示,动力电池支架上压边限位分别与动力电池前后端斜面凸台贴合,夹角为33.5°,可以有效地限制动力电池的X 和Z 轴晃动;动力电池支架上凹形限位分别与动力电池左右凹槽贴合,斜面贴合夹角为135°,形成锥角为1.1°,可以有效地限制动力电池的Y 和Z 轴晃动。两个加强筋可以有效地增加压板结构的强度和刚度,更可靠地固定动力电池。另外,线束固定安装孔为48V 电池接地线提供支撑点。按照以上要求,通过CATIA 软件建立动力电池支架三维数模,为后续建立有限元模型提供了依据。

图4 压边限位结构图

图5 凹形限位结构图

1.2 设计要求

动力电池支架是固定动力电池的主要功能件,其设计要求有以下几方面:

(1)要求其一阶模态在约束条件下固有频率大于30Hz,以避免在车辆正常行驶状态下支架与路面随机激励之间产生共振,影响固定的可靠性;

(2)由于支架承受着垂向颠簸、前进制动、倒车制动、左转弯、右转弯等工况下的冲击载荷,要求其结构具有一定的强度。根据道路试验载荷采集结果分析,本文在X 和Y 轴方向上施加3G 加速度,在Z 轴方向上施加5G 加速度,其结构上所承受的最大应力小于材料的屈服强度;

(3)在碰撞过程中,既要保证动力电池固定稳定,避免发生飞脱和变形过大,又要保证支架所承受的最大主应力小于材料的90%抗拉强度;

(4)要求安装螺栓的屈服力和安装力矩所产生的摩擦力大于螺栓所承受的最大冲击力,避免产生螺栓滑移和损坏。

以上要求,为后续结构性能分析提供了评价基准。

2 动力电池支架结构性能分析
表1 材料性能参数

动力电池支架是主要通过钣金冲压成型,材料采用HC300LA 钢板,厚度为2mm,要求表面电泳黑漆,增加防腐蚀性能,材料性能参数如表1。本文动力电池支架结构性能分析包括约束条件下模态分析,冲击强度分析,正面碰撞模拟分析,安装螺栓受力分析。

2.1 模态分析

将动力电池及其支架装配,进行网格划分,对支架上螺栓孔采用固定约束,如图6 所示,通过Nastran SOL 103 计算模态分析,计算结果如图7 所示,得到第一阶模态为40.12Hz,大于目标值30Hz,满足模态设计要求。

图6 模态分析约束模型

图7 模态分析应力图

2.2 冲击强度分析

将上述设置约束模型基础上,压边限位和凹形限位采用刚性连接,在X,Y 和Z 轴方向上分别施加3G,3G 和5G 加速度,通过Nastran SOL 101 对X,Y 和Z 轴三个方向分析计算强度分析,计算结果如图8 所示。

图8 强度分析应力图

根据计算结果可知,在X,Y 和Z 轴三个方向上,动力电池支架所承受的最大应力分别为74.4MPa,159.6MPa 和283.7MPa,其最大应力值小于材料的屈服强度316MPa,满足强度设计要求。

2.3 碰撞模拟分析

本文由于缺少整车模型,根据碰撞试验条件要求,仅对动力电池及其支架进行100%正面碰撞模拟分析,而在实际使用过程中,动力电池是固定在汽车车架底板上,在汽车发生碰撞事故时,动力电池及其支架不会与物体发生直接撞击。因此,在100%正面碰撞模拟分析中,对上述模型在X 轴上施加动态加速度曲线,如图9 所示。

图9 动态加速度曲线

通过碰撞分析软件计算,得到动力电池及其支架整体变形图和最大变形图,如图10 和11 所示。由此图可知,动力电池支架无集中变形,动力电池固定稳定,未发生飞脱,满足碰撞设计要求。

图10 动力电池及其支架整体变形图

图11 动力电池及其支架最大变形图

图12 动力支架主应力图

对上述模型在X 轴方向上施加100%正面碰撞时最大加速度,通过软件计算,得到动力支架主应力图,如图12 所示。根据计算结果可知,动力支架在碰撞过程中所承受的最大主应力为378.5Mpa,其值小于材料的90%抗拉强度382.5Mpa,满足设计要求。

2.4 安装螺栓受力分析

根据动力电池固定结构形式可知,四个M8 螺栓是受力的主要承载体。通过对各种工况载荷分析,100%正面碰撞工况产生的冲击载荷是最大的,其最大加速度为38.4G。选取某一个M8 螺栓作为分析对象,可得受力分析,如图13 所示。定义动力电池重量为 m=21kg,动力电池惯性加速度为a=38.4G,G 为重力加速度,动力电池惯性力为F,单个螺栓承受的冲击剪切力为Fs,安全系数为1.2,忽略动力电池支架和螺栓的本身重量。

图13 受力分析图

由受力分析可得:


因此,单个螺栓承受的冲击剪切力约为2.37KN。

根据标准件供应商提供螺栓性能参数(如表2 所示)可知,螺栓的摩擦力为3.2KN,屈服剪切力为4.0KN,都大于螺栓承受的冲击剪切力,不能产生滑移和折断,满足安装螺栓受力要求。

表2 螺栓性能参数

3 试验验证

在本文研究的基础上,由于项目进度和试验条件的限制,现阶段对动力电池支架未进行试验验证。后续,本文将该方案制作成样件,对样件分别验证系统振动试验和整车试验。

3.1 系统振动试验

将动力电池及其支架安装在振动试验台上,M8 螺栓安装力矩为24±4Nm,M6 螺栓安装力矩为10±1.5Nm。对整个系统进行随机振动试验,其中频率值和功率谱密度值如表3 所示。试验条件如下:

(1)试验温度:+23℃±5℃;

(2)试验时间:在X,Y 和Z 轴方向分别是20h,20h,80h,每24h 查一次试验件状态,试验前后检查螺栓力矩。

试验评价标准:在整个试验过程中,动力电池支架没有功能失效,不能产生裂纹;动力电池不能发生飞脱和损坏;试验后测量螺栓扭矩应大于5Nm。

表3 随机振动参数值

3.2 整车试验

按照装配工艺将动力电池及其支架安装到整车上,M8 螺栓安装力矩为24±4Nm,M6 螺栓安装力矩为10±1.5Nm。将整车进行车体随机振动台架试验,整车道路耐久试验和正面碰撞试验。由于每个试验都有完善的企业标准,本文就不必做详细介绍。每个试验评价标准如下:

(1)动力电池不能发生脱落和严重变形;

(2)动力电池支架在整个试验过程中没有功能失效,不能产生裂纹;

(3)试验后螺栓扭矩应大于5Nm。

在项目后期试验验证阶段,本文将对动力电池支架进行完整的试验验证,证明其结构性能分析的可靠性和准确性。

4 总结

本文是以混合动力汽车动力电池支架为研究对象,首先根据动力电池支架设计原则,使用CATIA 软件设计一种动力电池支架方案,再运用有限元技术,对该方案的结构进行了模态分析、强度分析、正面碰撞模拟分析,和安装螺栓受力分析,最后该方案的结构性能满足设计原则要求,后续制作工装件,搭载系统振动试验和整车试验验证。本方案结构紧凑,在最小空间里实现动力电池稳定地固定,有效地防止电池晃动;本身重量轻,有利于整车轻量化;减少零部件数量,节约模具费用成本;提高操作工的工作效率,进而提升了生产效率,获得项目组认可。



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