宋 偉，陳知多，楊佼源

（1.南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部，江蘇 南京 210028；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210000）

隨著電動汽車的普及，動力電池在汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，電池的懸置形式越來越多樣化［1］。我們常見的動力電池懸置方案可以分平托式和懸掛式，平托式對布置空間的要求比較高，常用在大型電動客車上，而懸掛式廣泛應(yīng)用于乘用車、物流車、載貨汽車等電動車領(lǐng)域［2］。本文主要針對懸掛式電池懸置的不同連接形式進(jìn)行研究，分析剛性連接與柔性連接在扭轉(zhuǎn)、垂直振動、加速、制動及轉(zhuǎn)向工況條件下分別對電池箱應(yīng)力及疲勞壽命的影響，為電池箱的懸置設(shè)計提供依據(jù)。

1 電池懸置方案

電池箱分別采用剛性連接和柔性連接兩種方案懸掛于車架縱梁上。剛性連接方案如圖1所示：電池箱兩側(cè)分別固定3個小支架，所有小支架結(jié)構(gòu)形式完全一樣，均采用鋼材B510L。小支架采用螺栓連接固定于大支架上，大支架再通過螺栓連接固定于車架縱梁上。大支架因需避免與其他零件干涉且需與車架孔位匹配，結(jié)構(gòu)形式不完全相同，中部大支架材料選擇與小支架相同，選用鋼材B510L沖壓焊接而成，前后兩處大支架為鑄造件，選用QT450-10。

圖1 電池剛性懸置示意圖

柔性連接方案見圖2所示。電池箱兩側(cè)分別固定3個小支架，這些小支架與剛性連接所用小支架結(jié)構(gòu)形式不同，具體結(jié)構(gòu)差異詳見圖3，材料同樣采用鋼材B510L。小支架再與硫化橡膠的支持金屬板采用M8螺栓固定，其中硫化橡膠和支持金屬板粘結(jié)為一體，各向剛度相同，均為1000N/mm，硬度值為55SHA，最大拉伸強度為17MPa，支持金屬板采用熱軋鋼SPHC。然后硫化橡膠與大支架通過一個M12的大螺栓連接固定，最后大支架再通過螺栓連接固定于車架縱梁上。大支架避免與其他零件干涉且需與車架孔位匹配，結(jié)構(gòu)形式不完全相同，大支架全部采用B510L沖壓焊接而成。

圖2 電池柔性懸置示意圖

圖3 電池懸置小支架結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗

本文采用Nastran軟件仿真計算扭轉(zhuǎn)、Z向跳動、加速、制動、轉(zhuǎn)向等工況電池箱應(yīng)力值，采用FEMFAT模擬計算扭轉(zhuǎn)及Z向振動工況電池箱疲勞損傷值。具體試驗方法見下文。

扭轉(zhuǎn)試驗約束左、右前輪中心XYZ方向移動自由度，約束左、右后輪中心YZ方向移動自由度。左前輪和右前輪中心的中點處繞X軸強制旋轉(zhuǎn)1°（圖4），計算扭轉(zhuǎn)工況電池箱應(yīng)力值。扭轉(zhuǎn)±1°10萬次計算電池箱扭轉(zhuǎn)疲勞損傷值。

圖4 扭轉(zhuǎn)模擬計算邊界

垂直振動試驗首先定義Z向垂直跳動-3.5g激勵，計算z向跳動工況電池箱應(yīng)力值。然后定義Z向直接強迫運動：各方向添加隨頻率變化確定的單位激勵，添加模態(tài)及阻尼卡片等。結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)0.02，假設(shè)橡膠懸置的動剛度是靜剛度的1.025倍設(shè)置橡膠阻尼。根據(jù)PSD曲線（圖5）持續(xù)50h計算Z向振動疲勞損傷值。

圖5 PSD曲線

其他工況激勵見表1，根據(jù)表1中激勵計算各工況條件下電池箱應(yīng)力值。

表1 各工況激勵條件

3 計算結(jié)果及分析

3.1 扭轉(zhuǎn)工況下，不同方案對電池箱體影響

3.1.1 最大應(yīng)力

圖6a所示為扭轉(zhuǎn)工況下剛性連接方案電池箱所受應(yīng)力的仿真分析結(jié)果；圖6b所示為扭轉(zhuǎn)工況柔性連接方案電池箱所受應(yīng)力的仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進(jìn)行1°扭轉(zhuǎn)仿真試驗得出最大應(yīng)力值為283MPa，位于拐角最近孔位處。柔性連接方案進(jìn)行1°仿真試驗最大應(yīng)力值為68MPa，也位于拐角最近孔位處。由此可見，柔性連接方案可以有效降低電池箱體的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。這是因為柔性連接方案中硫化橡膠剛度值比較低，允許一定的變形，車輛所受到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力被硫化橡膠吸收，有效保護(hù)了電池箱體。

圖6 扭轉(zhuǎn)工況下電池箱最大應(yīng)力

3.1.2 疲勞損傷

圖7a所示為扭轉(zhuǎn)工況下剛性連接方案電池箱疲勞損傷的仿真分析結(jié)果；圖7b所示為扭轉(zhuǎn)工況下柔性連接方案電池箱疲勞損傷仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進(jìn)行1°扭轉(zhuǎn)10萬次仿真試驗得出疲勞損傷值為0.82，位于距離拐角最近孔位處。柔性連接方案進(jìn)行1°扭轉(zhuǎn)10萬次仿真試驗，疲勞損傷值為8.03×10-4，也位于距離拐角最近孔位處，詳見圖8。由此可見，柔性連接方案電池箱體的扭轉(zhuǎn)疲勞損傷值比剛性連接方案電池箱的扭轉(zhuǎn)疲勞損傷值低3個數(shù)量級，柔性連接方案能顯著提高電池箱的抗扭轉(zhuǎn)疲勞壽命。

圖7 扭轉(zhuǎn)工況下電池箱疲勞損傷

圖8 1°扭轉(zhuǎn)10萬次電池箱疲勞損傷位置圖

3.2 Z向振動工況下，不同方案對電池箱體的影響

3.2.1 最大應(yīng)力

圖9a所示為Z向-3.5g跳動工況下剛性連接方案電池箱所受應(yīng)力的仿真分析結(jié)果；圖9b所示為Z向-3.5g跳動工況下柔性連接方案電池箱所受應(yīng)力的仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進(jìn)行Z向-3.5g跳動仿真試驗得出最大應(yīng)力值為313MPa，位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。柔性連接方案進(jìn)行Z向-3.5g跳動仿真試驗得出最大應(yīng)力值為706MPa，也位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。兩種連接方案電池箱焊點處應(yīng)力值均過大，需要對電池箱焊點位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。并且由于柔性連接方案的橡膠彈性會擴大Z向激勵的影響，因此柔性連接方案電池箱的應(yīng)力值要大得多。

圖9 Z向-3.5g跳動工況電池箱最大應(yīng)力

3.2.2 疲勞損傷

圖10a所示為Z向PSD曲線振動工況剛性連接方案電池箱疲勞損傷的仿真分析結(jié)果；圖10b所示為Z向PSD曲線振動工況柔性連接方案電池箱疲勞損傷仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進(jìn)行50h持續(xù)Z向PSD曲線振動仿真試驗得出疲勞損傷值為0.18，位于側(cè)面靠近拐角焊點處。柔性連接方案進(jìn)行50h持續(xù)Z向PSD曲線振動仿真試驗得出疲勞損傷值為0.42，也位于距離拐角最近孔位處，詳見圖11。由此可見，剛性連接方案電池箱體的Z向PSD曲線振動疲勞損傷值比剛性連接方案電池箱的Z向PSD曲線振動疲勞損傷值低?？梢娺B接方案的Z向剛度值是電池箱疲勞損傷值的關(guān)鍵因素，為改善Z向振動的疲勞壽命需要適當(dāng)提高連接方案的Z向剛度。

圖10 Z向PSD曲線振動工況電池箱疲勞損傷

圖11 Z向隨機振動50h電池箱疲勞損傷位置圖

3.3 加速工況下不同方案對電池箱體的影響

圖12a所示為加速工況下剛性連接方案電池箱所受應(yīng)力的仿真分析結(jié)果；圖12b所示為加速工況下柔性連接方案電池箱所受應(yīng)力的仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進(jìn)行加速仿真試驗得出最大應(yīng)力值為97MPa，位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。柔性連接方案進(jìn)行加速仿真試驗得出最大應(yīng)力值為203MPa，也位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。加速工況有X方向正向激勵及Z向動反力，柔性連接方案放大了Z向動反力的作用，因此柔性方案電池箱焊點處的應(yīng)力值更大。

圖12 加速工況電池箱最大應(yīng)力

3.4 制動工況下不同方案對電池箱體的影響

圖13a所示為制動工況下剛性連接方案電池箱所受應(yīng)力的仿真分析結(jié)果；圖13b所示為制動工況下柔性連接方案電池箱所受應(yīng)力的仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進(jìn)行制動仿真試驗得出最大應(yīng)力值為98MPa，位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。剛性連接方案進(jìn)行制動仿真試驗得出最大應(yīng)力值為199MPa，也位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。制動工況與加速工況相似，僅X方向激勵方向與大小不同。制動工況時剛性連接方案與柔性連接方案電池應(yīng)力值均與加速工況接近，可見X向的激勵對電池箱的受力影響較小。

圖13 制動工況電池箱最大應(yīng)力

3.5 轉(zhuǎn)向工況下不同方案對箱體的影響

圖14a所示為制動工況下剛性連接方案電池箱所受應(yīng)力的仿真分析結(jié)果；圖14b所示為制動工況下柔性連接方案電池箱所受應(yīng)力的仿真分析結(jié)果。剛性連接方案進(jìn)行轉(zhuǎn)向仿真試驗得出最大應(yīng)力值為390MPa，位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。柔性連接方案進(jìn)行轉(zhuǎn)向仿真試驗得出最大應(yīng)力值為510MPa，也位于側(cè)面靠近拐角焊點位置。轉(zhuǎn)向工況有Y方向正向激勵及Z向動反力，同樣是柔性連接方案電池箱焊點處的應(yīng)力值更大。但是相對加速及制動工況，轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力值明顯增大，可見焊接應(yīng)力對Y方向的激勵比較敏感。

圖14 轉(zhuǎn)向工況電池箱最大應(yīng)力

4 結(jié)論

根據(jù)不同工況條件下對剛性方案和柔性方案仿真分析可以得出如下結(jié)論。

1）柔性連接方案可以明顯改善扭轉(zhuǎn)工況的電池箱的應(yīng)力集中問題，并數(shù)量級提升疲勞壽命。

2）剛性連接方案電池箱在Z向振動工況應(yīng)力集中及疲勞損傷較小，主要是應(yīng)力集中及疲勞損傷主要體現(xiàn)在側(cè)面靠近拐角焊點位置，但兩個方案處在同一數(shù)量及水平。

3）加速、制動、轉(zhuǎn)向工況時均為剛性連接方案電池箱最大應(yīng)力值較小。剛性連接方案電池箱轉(zhuǎn)向時最大應(yīng)力為390 MPa，柔性連接方案電池箱轉(zhuǎn)向時最大應(yīng)力為510MPa，并且均在側(cè)面靠近拐角焊點位置，焊點位置需要加強處理。