章麗，匡紹龍，鄧華

（1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.江蘇興云新能源有限公司，江蘇 無錫 214200）

開發(fā)高效、無污染、可持續(xù)利用的新能源汽車，設(shè)計(jì)汽車無污染燃料并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，是目前全球汽車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。但是電力汽車科技含量高，需要先進(jìn)技術(shù)的支撐，能源電池裝設(shè)于汽車電池箱內(nèi)，在多變的路況下要保護(hù)里面的鋰電池，運(yùn)用Solidworks Simulation的仿真分析能夠驗(yàn)證所做的研發(fā)是否符合需要的工況要求，另外，能夠避免“過設(shè)計(jì)”，防止電池組件體積太大，重量超標(biāo)，使電力汽車的行駛性能下降。本文著重研究了公交大巴電池箱性能的仿真分析。

1 低地板公交大巴電池箱論述

以鈑金組件為框架的一系列部件構(gòu)成了低地板公交大巴的電池箱，電池箱和其余部件焊接起來，除了8個(gè)圓孔外構(gòu)成一個(gè)封閉的空間。電池箱本體由鋼材彎曲后焊接形成，底層的橫梁為鋼鐵管道和箱體焊接起來，橫梁上還裝設(shè)了三組滑輪，滑輪能夠在車身的軌道上移動(dòng)，方便推拉，可以完成電池箱的快速拆卸?；啿牧蠟橹刑间?，通過熱加工后強(qiáng)度能夠達(dá)到HRC45～50，而且表層實(shí)行了鍍硬鉻處理。箱身的中間裝設(shè)有拉手，方便電池箱的組裝，箱身前面百葉窗的孔為冷卻氣體的入口，后面的圓孔為冷卻風(fēng)機(jī)的裝設(shè)孔位，冷卻氣體通過百葉窗滲透進(jìn)箱體，經(jīng)過電池組件間預(yù)先留存的空間，然后由冷卻風(fēng)機(jī)排出到箱體外部，運(yùn)用這個(gè)工作模式能夠把電池組件發(fā)出的熱量排出。箱體里面的橫梁和凹凸部分為固定電池組件的作用，箱體的外層和內(nèi)層都進(jìn)行噴漆處理。箱體的外觀尺寸要與電動(dòng)車上的裝設(shè)位置相匹配，箱體的尺寸為：長850mm×寬400mm×高320mm。電池箱構(gòu)造圖如圖1所示。

圖1 電池箱構(gòu)造圖

2 電池箱強(qiáng)度分析的條件

一輛低地板公交大巴電動(dòng)汽車上裝設(shè)有8個(gè)能源電池組，各自裝設(shè)在車身下部兩側(cè)，8個(gè)電池組彼此串聯(lián)起來，確保了電動(dòng)汽車的供電。鋰電池組件裝設(shè)在電池箱里面，所有電池箱與電動(dòng)汽車的底板鑲嵌在一起。因?yàn)榇蟀蛙囋谶\(yùn)行途中，馬路凹凸不平以及汽車行駛的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致能源電池箱受力特別復(fù)雜。箱體的受力能夠分解為三個(gè)：上下方向?qū)ο潴w底盤的壓力；大巴車前后方向?qū)ο潴w側(cè)壁的壓力；大巴車左右方向?qū)ο潴w側(cè)壁的壓力。因?yàn)樗邢潴w的受力通常是一樣的，所以我們單獨(dú)對一個(gè)電池箱的受力情況實(shí)行檢驗(yàn)。

（1）各個(gè)箱體里面要裝設(shè)4組鋰電池組件，一個(gè)組件的重量為25kg，因此，箱體內(nèi)組件總重量為100kg，各個(gè)箱體底盤承壓的總重量為100kg。按照客戶要求的技術(shù)規(guī)范，箱體要確?？梢猿袎?00kg的重力，因此，最后壓在箱體底盤的力為300kg，箱體需要檢驗(yàn)的首要條件為內(nèi)部重量為300kg重力下底盤強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)。

（2）按照客戶要求的技術(shù)規(guī)范，當(dāng)電動(dòng)汽車速度為90km/h時(shí)汽車開始剎車，要確保在35m的距離內(nèi)剎停，箱體要確保在這個(gè)加速度沖擊下有達(dá)標(biāo)的強(qiáng)度。

設(shè)初速度V0=90km/h，Vt=0，S=40m，由公式2as=可得

根據(jù)牛頓力學(xué)公式F=MA=120×9.325=1119N，因此,電動(dòng)汽車在剎車途中箱體里面的電池組件對箱體小側(cè)壁造成的力為1119N，約111.9kg，現(xiàn)實(shí)過程中根據(jù)1.3倍保險(xiǎn)指標(biāo)的來考量，F(xiàn)=111.9×1.3=145.47kg，約145.47kg，來研究箱體小側(cè)壁的強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)。

圖2 電動(dòng)汽車電池箱安裝位置

（3）電動(dòng)汽車在加速或剎車時(shí)形成的壓力主要影響至前后位置的小側(cè)壁上，電動(dòng)汽車在拐彎或變換方向時(shí)形成的壓力主要影響至左右位置的大側(cè)壁上，因?yàn)楣諒澔蜃儞Q方向時(shí)形成的壓力小于加速或剎車的壓力，因此，箱體大側(cè)壁受到的壓力小于箱體小側(cè)壁受到的壓力，為保險(xiǎn)考慮我們對大側(cè)壁也根據(jù)145.47kg來驗(yàn)證。圖2為電動(dòng)汽車電池箱安裝位置。

3 電池箱強(qiáng)度分析

電池箱由鈑金部件以及鋼管等焊接構(gòu)成，由于整個(gè)電池箱在仿真分析時(shí)計(jì)算復(fù)雜且量大，需要對模型實(shí)行必要的簡化，把箱體上的拉手、滑輪等其余部件清除、對底盤及側(cè)面機(jī)械強(qiáng)度無關(guān)的部位實(shí)行簡化，獲得一個(gè)恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠韺?shí)行仿真分析。

3.1 電池箱底盤強(qiáng)度仿真分析

電動(dòng)汽車在行駛途中因?yàn)槁访娌黄缴舷禄蝿?dòng)比較明顯，電池組件對箱體底盤的壓力較大，因?yàn)橄潴w在構(gòu)造上選用可推拉的簡易組裝式，底板與車身不接觸，等同于底部中間是鏤空的，壓力作用在兩側(cè)支柱承上，軸受到的力傳輸至滑輪，滑輪受到的力最后作用于車身的底板上。因?yàn)闀?huì)用到很多的接觸分析，運(yùn)用等效載荷對模型實(shí)行簡易化，忽略滑輪和軸，把等效力作用于箱體的軸孔上。將軸孔看成固定面，接著在箱體里面的底部上施加300kg的力。

通過仿真分析可得，最大應(yīng)力為105.2MPa作用于軸孔四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，最大位移為0.723mm，變形稍大，因此，必須重新設(shè)計(jì)。

修改底板構(gòu)架的設(shè)計(jì)：因?yàn)殡姵叵涞撞孔冃屋^大，必須對原計(jì)劃方案實(shí)行更改，為了提高底板的硬度，在底板下部繼續(xù)添加單根橫梁，用作加強(qiáng)支撐的力度，橫梁材料為普通鋼材，大小跟上文的兩根橫梁一樣，焊接在電池箱的底板。

修改設(shè)計(jì)之后，最大應(yīng)力為89.5MPa作用于軸孔四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，最大位移為0.437mm，變形較小，電池箱強(qiáng)度符合汽車行駛的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 電池箱小側(cè)壁強(qiáng)度仿真分析

電動(dòng)汽車在應(yīng)急剎車狀況下，因?yàn)閼T性的關(guān)系，箱體內(nèi)部的電池組件會(huì)對箱體形成很大的壓力，此壓力是影響于箱體小側(cè)壁上。根據(jù)上述運(yùn)算可得，電池組件對箱體小側(cè)壁形成的壓力為145.47kg，因?yàn)橐粚π?cè)壁是同樣的，所以，僅對一側(cè)實(shí)行分析，把軸孔看成固定面，接著在箱體小側(cè)壁的內(nèi)部施加145.47kg的力。

通過仿真分析可得，最大應(yīng)力為104.7MPa作用于箱體四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，最大位移為2.089mm，小側(cè)壁中部變形稍大、因此必須重新設(shè)計(jì)。

修改小側(cè)壁構(gòu)架設(shè)計(jì)：箱體的最大位移為2.089mm，這個(gè)數(shù)值偏大，因此必須對側(cè)壁的構(gòu)架實(shí)行修改，為了提高側(cè)壁的支撐力度，在兩端小側(cè)壁外部添加一條強(qiáng)化鋼筋，強(qiáng)化鋼筋材質(zhì)為Q235鋼板經(jīng)沖壓彎曲而成，與電池箱焊接穩(wěn)固。

修改設(shè)計(jì)后，最大應(yīng)力為50.2MPa作用于箱體上端四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，最大位移為0.293mm，變形較小，電池箱強(qiáng)度符合汽車行駛的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 電池箱大側(cè)壁強(qiáng)度仿真分析

電動(dòng)汽車在拐彎或變換方向的狀況下，箱體里面的電池組件會(huì)對箱體形成一定的壓力，此壓力是影響于箱體大側(cè)壁上，根據(jù)上述的運(yùn)算可得，電池組件對箱體大側(cè)壁形成的壓力為145.47kg，因?yàn)橐粚Υ髠?cè)壁是同樣的，所以，僅對一側(cè)實(shí)行分析，把軸孔看成固定面，接著在箱體大側(cè)壁的內(nèi)部施加145.47kg的力。

通過仿真分析可得，最大應(yīng)力為152.4MPa作用于箱體四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，中間的最大位移為1.589mm，超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

修改大側(cè)壁構(gòu)架設(shè)計(jì)：在大側(cè)壁的外部各添加單根鋼管，用作提高支撐強(qiáng)度，鋼管尺寸為：2×20×20mm，鋼管與電池箱穩(wěn)固的焊接起來。

修改設(shè)計(jì)后，最大應(yīng)力為76.5MPa作用于電池箱上端四周，沒有超出材質(zhì)的抗壓極限，根據(jù)位移分布圖可得，最大位移為0.578mm，變形較小，電池箱強(qiáng)度符合汽車行駛的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

電池箱通過在低地板公交車上的實(shí)際行駛和驗(yàn)證，并未發(fā)生開裂、歪曲等不良狀況，現(xiàn)實(shí)運(yùn)行效果良好，符合汽車行駛的要求。

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[2]馮富春,楊重科,李彥良,辛雨,高建保. 某電動(dòng)汽車電池包擠壓仿真分析[J]. 電源世界,2017,(04).