某輕卡蓄電池及固定支架輕量化設計

況江秀，孔 飛，黃海慶

某輕卡蓄電池及固定支架輕量化設計

況江秀，孔 飛，黃海慶

（江西五十鈴汽車有限公司 產品開發技術中心，江西 南昌 330001）

為落實國家節能減排政策要求，開展整車輕量化研究設計，減輕輕卡整備質量，提升燃油經濟性能，文章的某輕卡采用新型鋰電池代替傳統的鉛酸蓄電池，并進行抗擠壓性能試驗、抗沖擊試驗及低溫冷啟動試驗，試驗結果滿足目標要求，蓄電池重量減至5.5 kg，實現減重15 kg；同時運用計算機輔助工程（CAE）仿真軟件，進行蓄電池固定支架輕量化設計，以實車下的蓄電池支架加速度數據為輸入激勵，進行CAE強度分析，試驗結果滿足目標要求，實現減重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

中國經濟蓬勃發展，與此同時經濟結構的轉型升級，極大促進了電商經濟的蓬勃發展，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，最大總質量不大于4.5噸的N2類車型，根據中國汽車工業協會的權威數據，2022年全國商用輕卡銷量達到161.8萬臺，其中燃油輕卡占輕卡總銷量比高達85%，巨大的汽車保有量也催生出一系列的問題，尤其是環境問題影響國家雙碳目標達成及國民呼吸健康指標。在確保輕卡整車性能指標不降低的前提下，各大輕卡主機廠都在盡可能減小整備質量[1-3]。汽車輕量化技術，旨在保證整車和零部件的剛強度及安全性能不降低的前提下，開展零部件的輕量化工作，實現綠色環?？沙掷m發展。

蓄電池作為輕卡重要的電源系統，直接影響車輛能否正常啟動、駕駛室內低壓用電設備能否正常工作[4-5]。目前行業內輕卡蓄電池通常為直流24 V，常見的輕卡蓄電池品牌為風帆或駱駝牌的鉛酸蓄電池，單個蓄電池重量約為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構，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，具有重要的經濟效益。

本文結合目前行業內電池發展的新趨勢，開展輕卡蓄電池（鋰電池）的輕量化分析，并進行相關的性能試驗，可減重15 kg，輕量化效果非常顯著。

同時本文進行蓄電池固定支架輕量化設計，采用實測的加速度激勵數據，進行計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）強度分析，可實現固定支架減重1.2 kg。

1 某輕卡輕量化鋰電池性能測試與分析

傳統輕卡的蓄電池由于價格便宜及便利性好，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，急需開發一種重量輕、性能穩定的蓄電池。

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，其充電電壓與傳統的鉛酸蓄電池相當，但具備快充功能，充電時間提升了70%。傳統鉛酸蓄電池循環壽命為200～300次，但鋰電池的循環壽命為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

輕卡蓄電池通常會布置于車架縱梁一側，在行駛過程中的側碰易導致蓄電池被擠壓碰撞的風險。故本文首先進行輕量化鋰電池的抗擠壓性能試驗。

在某工裝試驗臺試驗時，一側為固定剛性板，另一側采用半圓擠壓柱，勻速施加擠壓載荷，擠壓載荷為5 kN，如圖2所示，試驗后鋰電池未起火，未出現爆炸及泄露等事故，性能滿足目標要求。

1.2 輕量化鋰電池抗沖擊性能試驗

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，向沖擊高達5。本文開展了輕量化鋰電池抗沖擊性能試驗，將鋰電池固定于一個剛性基座上面，上端采用一個緊湊型壓板，施加垂向沖擊載荷，如圖3所示，試驗結果顯示，輕量化鋰電池在相應垂向沖擊載荷作用下，無起火和泄露等問題，試驗后鋰電池的絕緣電阻不低于90 Ω/V，滿足性能目標要求。

圖3 輕量化鋰電池抗沖擊性能試驗

1.3 輕量化鋰電池低溫冷啟動試驗

輕卡其使用場景復雜多變，既有南方高溫天氣，又有北方寒冷環境。因此，蓄電池需要保證在各種復雜環境條件下均具有良好的啟動性能。本文在某環模試驗室，對輕量化鋰電池進行整車低溫冷啟動試驗，如圖4所示，試樣樣車數量為兩臺，環境溫度為-30 ℃，放置時間8 h。試驗結果表明，在-18 ℃溫度下，啟動電流達到300 A，5 s電壓為15.9 V，在1 000個循環后，容量保持率達到91%，在低溫環境下，輕量化鋰電池24 V10 Ah在50%荷電狀態下，三次點火均成功，滿足啟動性能目標要求。

2 某輕卡蓄電池固定支架輕量化設計

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，從力學角度可簡化為懸臂件，安裝于輕卡車架縱梁一側。本文開展某輕卡蓄電池固定支架結構對比分析及輕量化設計，根據材料力學懸臂件力學理論，對基礎方案的底板及側板進行減重孔設計，并減少料厚至0.8 mm，實現減重1.2 kg，如圖5所示。

圖5 蓄電池固定支架基礎結構和輕量化結構

本文采用某綜合試驗場采集的實車路譜的加速度數據，運用HyperWorks軟件，建立輕量化蓄電池固定支架有限元模型，網格大小為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，進行CAE強度分析，結果如圖6所示。其中，向5工況下支架最大應力為264 MPa，向5工況下支架最大應力為76 MPa，向5工況下支架最大應力為135 MPa，均小于材料屈服強度420 MPa，滿足設計要求。

3 結論

本文基于電池新材料和有限元理論，進行鋰電池的輕量設計及驗證、固定支架的輕量化設計及CAE分析，得到如下結論：

1）采用鋰電池重量可減至5.5 kg，實現減重15 kg，輕量化效果非常顯著，同時進行抗擠壓性能試驗、抗沖擊試驗及低溫冷啟動試驗，試驗結果滿足目標要求；

2）運用CAE仿真軟件，進行蓄電池固定支架輕量化設計，在滿足強度的要求下減重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,2019.

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

[3] 童波,邵慶賢,湯艷,等.結構優化和新材料技術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].汽車實用技術, 2020,45(7):89-91.

[5] 黃勤,劉風華,何帆影,等.基于Nastran的某輕卡ECU支架共振問題優化研究[J].汽車實用技術,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，研究方向為機械工程，E-mail:122710963@qq.com。