電動汽車動力電池的支撐結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計探微

何亞飛

（湖北吉利衡遠新能源科技有限公司，湖北 武漢 433200）

電動汽車是目前汽車開發(fā)的重點，因為其既滿足綠色發(fā)展的需要，又能夠滿足人們生活的基本需要。作為新能源汽車的代表，電動汽車在具體的發(fā)展中需要解決的一個重要問題是車輛整體質(zhì)量的降低問題。從車輛整體質(zhì)量降低的實際分析來看，此問題的解決重點是做車身的輕量化設(shè)計，所以在滿足動力電池框架支撐結(jié)構(gòu)的要求基礎(chǔ)上對車身的結(jié)構(gòu)輕量化做設(shè)計優(yōu)化現(xiàn)實意義顯著。

1 汽車輕量化

汽車輕量化是目前汽車研發(fā)的一個重要問題，目的是要解決汽車的高能耗。對汽車的輕量化做分析發(fā)現(xiàn)，所謂的輕量化具體指的是，在維持原有品質(zhì)指標(biāo)不變的基礎(chǔ)上，通過針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提升現(xiàn)有材料的強度，或者是使用新的輕質(zhì)材料、改變制造工藝達到減重、節(jié)能以及是安全等綜合指標(biāo)，促進汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。就當(dāng)前的分析來看，汽車輕量化滿足國家能源安全戰(zhàn)略需要。

從具體的分析研究來看，汽車的質(zhì)量和其能耗是有顯著聯(lián)系的，當(dāng)汽車的質(zhì)量下降10%時，燃油的消耗率可以降低6%~8%，據(jù)此做具體的計算，當(dāng)汽車的質(zhì)量降低100kg，其每公里的油耗量可以降低0.3%~0.6L。我國是汽車消費大國，如果每一輛汽車均實現(xiàn)了輕量化，有助于石油利用緊張問題的緩解。

基于能源節(jié)約的考慮，實現(xiàn)汽車的輕量化現(xiàn)實意義顯著。當(dāng)前的新能源汽車異軍突起，在新能源汽車的開發(fā)中推進輕量化，新能源汽車的現(xiàn)實環(huán)保價值會更加的顯著，所以具體研究電動汽車的輕量化現(xiàn)實價值十分顯著。

2 動力電池模塊的一般支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

就一般的情況分析來看，動力電池模塊的具體布置需要根據(jù)其容量安排，一般是在后地板備胎倉下或者是前地板中央通道下，其支撐由靠前、后地板的骨架來實現(xiàn)。

對目前的動力電池模塊布置位置做具體分析發(fā)現(xiàn)，其處在后地板備胎倉下的時候動力電池模塊一般比較小，所以其支撐主要由轎車前后地板的骨架來實現(xiàn)，這種動力電池模塊布置，其突出的缺陷是續(xù)航能力不足，所以電動汽車的行駛里程受限。當(dāng)動力電池模塊主要在前地板中央通道下布置的時候，其模塊較大，此時相對傳統(tǒng)汽車的前后地板骨架進行修改或者是增加，這樣才能實現(xiàn)對動力電池模塊的增加。一般來講，中央通道兩旁的縱梁修改增加了車輛的正碰性能，而中央通道尾部橫梁的修改則增加了其側(cè)碰性能。雖然說增加或者修改實現(xiàn)了碰撞安全性的提升，但是下車體的結(jié)構(gòu)增加，車身整體的質(zhì)量也有了提升。

3 動力電池框架支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計及輕量化

基于動力電池做框架支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計和輕量化研究是實現(xiàn)電動汽車整體輕量化必須要做的工作，是保證電動汽車安全性和現(xiàn)實利用價值的重要內(nèi)容，以下便是對此內(nèi)容的具體分析和討論。

（1）電池框架支撐結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。通過實踐分析發(fā)現(xiàn)柱單元結(jié)構(gòu)具有突出的圓筒截面特性，而且對其做碰撞結(jié)果的測試發(fā)現(xiàn)其安全性要比傳統(tǒng)的沖壓焊接更加的突出，所以利用此種單元結(jié)構(gòu)，整車的質(zhì)量會有大幅度的下降。在具體的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度提升中，只需要增加圓筒截面的直徑即可。從一般的利用來看，柱單元結(jié)構(gòu)制造采用的是液壓形成技術(shù)，比如在底盤的一些架構(gòu)零件制造中，采用液壓技術(shù)不僅能夠減少模具的費用投入，而且可以縮短模具制造周期，材料利用率也會有顯著的提升。

對電動汽車動力電池的支撐結(jié)構(gòu)強度和剛度做了具體的分析，發(fā)現(xiàn)柱單元結(jié)構(gòu)不僅滿足其強度和剛度的要求，而且也滿足安全的需要。不僅如此，在柱單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將鋼管式框架支撐結(jié)構(gòu)的多處管狀轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計為一致，這樣就可以將液壓技術(shù)做摒除，從而在彈頭彎管機上做直接制造，制造成本和零件單件的成本均有了顯著的下降。

（2）疲勞強度性能分析。為了設(shè)計更好的電動汽車輕量車身結(jié)構(gòu)，采用有限元仿真模型做具體的試驗分析。在具體的試驗中共設(shè)計5種載荷工況對車輛的實際行駛情況進行模擬，依據(jù)行駛情況將車身模型各個連接處的疲勞應(yīng)力范圍進行計算，并且利用各零件的疲勞極限圖做疲勞強度的評定。依據(jù)具體的評定結(jié)果做有限元模型的進一步輕量化校核，這樣可以更好的分析輕量化的結(jié)果。基于具體的分析在動力電池托盤上增加了框架支撐結(jié)構(gòu)的變形位移量考核。

考核最終的輕量化設(shè)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過輕量化的設(shè)計之后，鋼管式電池框架支撐結(jié)構(gòu)減輕的質(zhì)量為原來的骨架梁結(jié)構(gòu)的50%，輕量設(shè)計后的支撐結(jié)構(gòu)疲勞強度滿足具體的要求，而且在試制之后對該結(jié)構(gòu)進行了路試驗證，發(fā)現(xiàn)其和有限元計算的結(jié)果基本一致，由此判定，利用有限元測試的輕量化設(shè)計模型在實踐中可以做推廣應(yīng)用。

（3）安全性能分析。安全性能分析采用試驗分析法，在車身后部不做吸收盒、碰撞橫梁以及泡沫等結(jié)構(gòu)安裝的情況下對車身尾部做碰撞模型的分析，就具體的碰撞結(jié)果來看，動力電池托盤的邊緣受到了輕微的擠壓，而動力電池本身并未發(fā)生明顯的變化，這說明設(shè)計的最大應(yīng)力滿足要求便不會發(fā)生塑性的變化。另外，后縱梁末端的壓潰比較好，整體的變形模式在可接受的范圍之內(nèi)。圖1是仿真中的動力電池托盤變形位移量。

圖1

從實踐分析來看，結(jié)構(gòu)的安全性能是否突出需要有具體的指標(biāo)做判斷，所以需要對實驗中的指標(biāo)數(shù)值做回收，門檻內(nèi)板的相對位移量在評價安全性方面有重要的參考意義，所以對輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計后的車體模型做了碰撞試驗，測得門檻內(nèi)板的相對位移量（見圖2），從具體的數(shù)據(jù)來看，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化后，車輛的安全性能有了明顯的提升。

圖2

基于上述的分析可知，鋼管式電池框架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足了50km/h尾部碰撞目標(biāo)的要求，而且在實車進行試制后做了具體的尾部碰撞試驗，發(fā)現(xiàn)其與有限元計算的結(jié)果基本是一致的，這說明實驗設(shè)計符合實際的需要。

4 結(jié)語

綜上所述，電動汽車是我國未來汽車發(fā)展的重要趨勢，一方面是這種汽車的環(huán)保性比較強，我國正在大力提倡綠色、生態(tài)、高效的經(jīng)濟發(fā)展，所以電動汽車符合我國經(jīng)濟發(fā)展的趨勢。另一方面，電動汽車的制造技術(shù)在不斷的提升，其存在的問題也在被積極的克服，可以說，未來的電動汽車，其利用會更加的便捷和安全。分析當(dāng)前的電動汽車，其發(fā)展的主要阻力是輕量化，所以在電動汽車原有的動力電池模塊分析基礎(chǔ)上對其輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計做具體討論。