48V混合動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析

喬紅嬌 戴道成 吳寶 劉成 林志宏

摘 要：文章基于某車(chē)企一款車(chē)型需求，研發(fā)設(shè)計(jì)一款緊湊、高效、節(jié)能的48V混動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行CAE機(jī)械可靠性和CFD熱仿真分析。仿真結(jié)果表明該款48V混動(dòng)系統(tǒng)具有良好的安全可靠性，滿(mǎn)足客戶(hù)的性能指標(biāo)要求，同時(shí)也驗(yàn)證了該款48V混動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。仿真結(jié)果可為后續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：48V混動(dòng)系統(tǒng);CAE機(jī)械可靠性分析;CFD熱仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-18-05

Abstract： Based on the demand develop efficient and energy-saving 48V hybrid system， and performs CAE mechanical reliability and CFD thermal simulation analysis on the system. The simulation results show that the 48V hybrid system has good safety and reliability， meets the customer's performance index requirements， and also verifies the feasibility of the 48V hybrid system design.The simulation results can provide a theoretical basis for subsequent system structure optimization and experimental verification.

Keywords： 48V hybrid system; CAE mechanical reliability analysis; CFD thermal simulation analysis

前言

隨著油耗和排放法規(guī)的限制越來(lái)越嚴(yán)格，節(jié)能減排已從政策層面演化為每個(gè)車(chē)企的技術(shù)要求[1-2]。由于混合動(dòng)力汽車(chē)的成本較高，很多整車(chē)和零部件制造商都在針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)一種低成本的解決方案，其中最為有效的方案是設(shè)計(jì)一種48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)[3-4]。與傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)相比，48動(dòng)力系統(tǒng)增加了電機(jī)和電池等設(shè)備，能夠配合發(fā)動(dòng)機(jī)一起輸出動(dòng)力，因此，48V動(dòng)力系統(tǒng)具有混合動(dòng)力的效果[5]。48V動(dòng)力系統(tǒng)是用電量小于一度電的功率型電池替代傳統(tǒng)的鉛酸電池，用BSG電機(jī)替代傳統(tǒng)的啟動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)，除自動(dòng)啟停功能之外，還能夠在必要的時(shí)候，為車(chē)輛提供輔助動(dòng)力。因此搭載了48 V系統(tǒng)的汽車(chē)，將具備制動(dòng)能量回收、扭矩輔助、滑行起停、怠速起停、降低起動(dòng)噪聲、降低油耗、減少排放等功能，給人們帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)舒適的駕乘體驗(yàn)[6]。

本文以傳統(tǒng)乘用車(chē)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一款緊湊、高效、節(jié)能的48V混動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)CAE和CFD仿真分析，結(jié)果證明該48V混動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

1 48V動(dòng)力系統(tǒng)的架構(gòu)及主要功能

在整車(chē)48V動(dòng)力系統(tǒng)中，48V P0系統(tǒng)屬于48V動(dòng)力系統(tǒng)中的基礎(chǔ)方案，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且成本較低。48V動(dòng)力系統(tǒng)是在保留原有12V電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)上額外增加獨(dú)立的48V電池系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)之間通過(guò)一個(gè)DC/DC雙向轉(zhuǎn)換器連接，從混合動(dòng)力的結(jié)構(gòu)上分類(lèi)屬于并聯(lián)式，如下圖1所示。汽車(chē)娛樂(lè)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、ECU等傳統(tǒng)低功率負(fù)載連接12V電池系統(tǒng)，由12V電池系統(tǒng)供電。汽車(chē)主動(dòng)底盤(pán)系統(tǒng)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)加熱系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、除霜除霧系統(tǒng)、再生制動(dòng)系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)等大功率負(fù)載系統(tǒng)連接48V電池系統(tǒng)，從而有效改善常規(guī)電網(wǎng)負(fù)荷，最大程度地實(shí)現(xiàn)整車(chē)節(jié)能減排的目標(biāo)[7]。

目前，48 V系統(tǒng)的主要功能包括：?jiǎn)⑼９δ埽▋?yōu)先啟動(dòng)、怠速啟停、滑行啟停）、電動(dòng)助力（電怠速、電爬行）、能量回收（滑行、制動(dòng)）、扭矩分配、支持ECO/SPORT模式和電源管理等。

在48V系統(tǒng)沒(méi)有故障、48V系統(tǒng)電量和其它條件滿(mǎn)足要求的情況下，首次啟動(dòng)通過(guò)48V電池給48V電機(jī)提供能量，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)48V首次啟動(dòng)優(yōu)先功能。整車(chē)在行駛過(guò)程中，根據(jù)駕駛需求，可以控制48V扭矩的輸出能力，實(shí)現(xiàn)48V系統(tǒng)的扭矩分配和助力功能;當(dāng)整車(chē)在行駛過(guò)程中，不需要額外的能量時(shí)，48V系統(tǒng)可以通過(guò)48V電機(jī)收集多余的能量，給48V電池補(bǔ)電，實(shí)現(xiàn)能量回收功能。當(dāng)12V電池的電量不滿(mǎn)足整車(chē)需求時(shí)，48V電池可以通過(guò)48V/12V雙向DC/DC給12V電池提供能量，保障整車(chē)用電量需求[8]。因此設(shè)計(jì)一款緊湊、高效、節(jié)能的48V混動(dòng)系統(tǒng)能夠讓BSG實(shí)現(xiàn)高效的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)技術(shù)必不可少。研究表明，單這一項(xiàng)技術(shù)就可以降低大約10%-15%左右的燃油消耗量，對(duì)汽車(chē)尾氣排放有很大改善。

2 48V動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)某車(chē)企一款SUV車(chē)型需求設(shè)計(jì)的該款48V動(dòng)力啟停系統(tǒng)，包括箱體、箱蓋、繼電器、熔斷器、串聯(lián)銅排、電池組、正負(fù)極柱等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。電池箱體內(nèi)設(shè)計(jì)有一個(gè)電池模組，通過(guò)螺栓與電池箱體底部凸臺(tái)緊固。電池箱體一端部設(shè)計(jì)有繼電器和熔斷器，通過(guò)串聯(lián)銅排連接，并通過(guò)總正連接排和正極柱引出電池總正。電池箱體的一側(cè)設(shè)計(jì)有BMS，通過(guò)BMS固定座安裝在箱體內(nèi)部，并通過(guò)串聯(lián)銅排、總負(fù)連接排和負(fù)極柱連接，引出電池總負(fù)。低壓接插件設(shè)計(jì)在電池箱體的下端部，電池箱體和箱蓋通過(guò)卡扣和螺絲緊固密封。該款48V電池動(dòng)力系統(tǒng)采用自然冷卻方式散熱，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單緊湊、布局合理，且集成度高，便于裝配和維修。電池系統(tǒng)通過(guò)低壓接插件與整車(chē)通訊連接，實(shí)現(xiàn)整車(chē)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高電池系統(tǒng)安全性。

3 48V動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)械可靠性分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響產(chǎn)品的使用性能，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)初期合理地可靠性設(shè)計(jì)和分析對(duì)減少投入資金，提高產(chǎn)品的固有性能有著重要的作用。因此需要對(duì)該款48V動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械可靠性分析。

3.1 48V系統(tǒng)模態(tài)分析

模態(tài)分析是對(duì)該48V動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)分析來(lái)確定該48V系統(tǒng)的振動(dòng)特性。

本文使用Hypermesh軟件，采用Block Lanczos 算法對(duì)48V動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行約束模態(tài)分析，約束位置為箱體和車(chē)身安裝連接處。在CAE前處理過(guò)程中對(duì)電芯材料根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)化，箱體材料采用ZL108壓鑄鋁、箱蓋及蓋板等塑料材料為ABS+PC，側(cè)板、端板為6063鋁，內(nèi)部簡(jiǎn)化后，總重約7.0kg。

計(jì)算結(jié)果表明第一階固有頻率為156Hz，主要表現(xiàn)為模組Z向左右擺動(dòng)，結(jié)合慣性力結(jié)果及GB/T31467.3-2015振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，一階固有頻率值大于目標(biāo)值50 Hz，因此不會(huì)與車(chē)體發(fā)生共振，說(shuō)明該系統(tǒng)具有良好的剛度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 48V系統(tǒng)強(qiáng)度分析

對(duì)48V系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析的同時(shí)也需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析校核，以確定該系統(tǒng)具有良好的強(qiáng)度。在箱體有限元模型的左右兩側(cè)施加全約束，以模擬該箱體系統(tǒng)與車(chē)身連接的固定方式，并對(duì)該系統(tǒng)施加慣性載荷及加速度，以模擬該系統(tǒng)實(shí)際受力情況。

對(duì)箱體系統(tǒng)按下列加速度的慣性力進(jìn)行強(qiáng)度校核：對(duì)箱體系統(tǒng)的縱向即X（加速度及剎車(chē)）方向施加5g慣性力載荷;對(duì)箱體系統(tǒng)的橫向即Y（急轉(zhuǎn)彎）方向施加5g慣性力載荷;對(duì)箱體系統(tǒng)的垂向即Z（路面坑洞）方向施加8g慣性力載荷，計(jì)算該系統(tǒng)在合成應(yīng)力下的受力情況。計(jì)算應(yīng)力云圖如下圖7-圖9所示。

計(jì)算結(jié)果表明：X向加載箱體最大應(yīng)力為10.2MPa小于箱體屈服強(qiáng)度195MPa，如圖7所示，圖中紅色部分為應(yīng)力水平超過(guò)5MPa部分，最大應(yīng)力位于箱體與端板安裝的螺栓孔處;Y向加載電池箱體最大應(yīng)力為8.6MPa小于箱體屈服強(qiáng)度195MPa，如圖8所示，圖中紅色部分為應(yīng)力水平超過(guò)5MPa部分，最大應(yīng)力位于箱體與端板安裝的螺栓孔處;Z向加載電池箱體最大應(yīng)力為8.604MPa小于箱體屈服強(qiáng)度195MPa，如圖9所示，圖中紅色部分為應(yīng)力水平超過(guò)5MPa部分，最大應(yīng)力位于箱體側(cè)邊和底邊連接處。

三個(gè)方向的應(yīng)力均遠(yuǎn)小于箱體的許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，為此可驗(yàn)證該48V系統(tǒng)箱體結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

3.3 48V系統(tǒng)擠壓性能分析

為保證該48V動(dòng)力系統(tǒng)的正常工作，GB/T中對(duì)電池包的擠壓性能也提出了要求。分析的目的就是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法檢驗(yàn)電池包是否可以滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)對(duì)電池包擠壓性能的要求。

對(duì)電池包進(jìn)行X方向擠壓模擬，電池箱體受到擠壓后整體變形情況為：隨著擠壓的進(jìn)行，擠壓面的接觸力不斷攀升，當(dāng)擠壓力達(dá)到100kN時(shí)，擠壓板前進(jìn)了12.5mm，未超過(guò)x向尺寸30%，電芯最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.9%，變形量較小，電芯漏液，起火，爆炸風(fēng)險(xiǎn)較小，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，后續(xù)可通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，分別如圖10～13所示。

對(duì)電池包進(jìn)行Y向擠壓模擬，電池箱體受到擠壓后整體變形情況為：隨著擠壓的進(jìn)行，擠壓面的接觸力不斷攀升，當(dāng)擠壓力達(dá)到100kN時(shí)，擠壓板前進(jìn)了17mm，未達(dá)到整體尺寸30%，電芯最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.1%，變形量較小，電芯漏液，起火，爆炸風(fēng)險(xiǎn)較小，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，后續(xù)可通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，分別如圖14～17所示。

上述對(duì)電池包進(jìn)行了擠壓分析，計(jì)算結(jié)果表明該電池系統(tǒng)變形小，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。對(duì)電池包的抗擠壓特性進(jìn)行合理的分析和評(píng)估可以減少設(shè)計(jì)周期，降低風(fēng)險(xiǎn)，保證電池包能滿(mǎn)足安全性能的要求，同時(shí)保證零件的局部強(qiáng)度性能。

4 48V動(dòng)力系統(tǒng)熱管理分析

動(dòng)力電池系統(tǒng)長(zhǎng)期處于極端的環(huán)境下工作，不僅會(huì)造成使用壽命的縮短，也會(huì)帶來(lái)安全隱患，因此設(shè)計(jì)一款具有良好的熱管理系統(tǒng)的電池系統(tǒng)可以保證動(dòng)力電池在運(yùn)行過(guò)程中始終保持在合適的溫度范圍內(nèi)，不僅可以滿(mǎn)足高的動(dòng)力性輸出，同時(shí)可以保障整車(chē)的使用安全[9]。

本文利用CFD技術(shù)對(duì)48V動(dòng)力系統(tǒng)的NEDC和WLTP兩種工況進(jìn)行仿真分析，其仿真工況和分析結(jié)果如下文所示。

4.1 NEDC工況仿真

仿真工況：電芯容量10Ah，直流內(nèi)阻1.6mΩ;環(huán)境溫度25℃;NEDC工況充放電;計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為2880s，并對(duì)電池組監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行布置如圖20所示。NEDC工況電流-時(shí)間曲線(xiàn)和NEDC工況一個(gè)循環(huán)發(fā)熱功率-時(shí)間曲線(xiàn)如下圖18-19所示。仿真分析結(jié)果如下圖21電池溫度分布和圖22電池監(jiān)控點(diǎn)溫度曲線(xiàn)所示。圖中表明：電池監(jiān)控點(diǎn)最高溫度為70℃，小于電池最大工作溫度75℃;電池間溫差為4.2℃，小于5℃，滿(mǎn)足客戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)值，后續(xù)可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.2 WLTP工況仿真

仿真工況：電芯容量10Ah，直流內(nèi)阻1.6mΩ;環(huán)境溫度25℃ ;WTLP工況充放電;計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為2452s，并對(duì)電池組監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行布置如圖20所示。WTLP工況電流-時(shí)間曲線(xiàn)和WTLP工況一個(gè)循環(huán)發(fā)熱功率-時(shí)間曲線(xiàn)如下圖23-24所示。仿真分析結(jié)果如下圖25電池溫度分布和圖26電池監(jiān)控點(diǎn)溫度曲線(xiàn)所示。圖中表明：電池監(jiān)控點(diǎn)最高溫度為70℃，小于電池最大工作溫度75℃;電池間溫差為4.1℃，小于5℃，滿(mǎn)足客戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款48V動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的架構(gòu)、主要功能進(jìn)行了介紹，并對(duì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析說(shuō)明。文章基于CAE和CFD仿真軟件對(duì)48V動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械可靠性分析和熱仿真分析。分析結(jié)果表明：該系統(tǒng)機(jī)械性能可靠，熱仿真分析結(jié)果滿(mǎn)足客戶(hù)需求。該結(jié)果可為后續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗(yàn)提供一定的依據(jù)，對(duì)電池系統(tǒng)安全性和可靠性的提高，起到了一定的促進(jìn)作用。

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