孟 飛，涂傳旻，徐尤南，彭興禹

（1.華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013；2.華東交通大學(xué)載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌330013）

電動汽車作為新時代的新興產(chǎn)業(yè)，目前最大的是電池補給問題，電池的補給可以分為充電和換電兩種模式[1]。 相比于充電模式，換電模式更安全，所花費的時間更短，對電池的損耗也更低[2]。 電池快換技術(shù)作為換電模式中一項重要技術(shù)，其包括快換電池箱、快換電池托架和快換電池鎖止機構(gòu)等。 電池鎖止機構(gòu)作為更換和固定電池的重要結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是否安全將直接影響電池包甚至整車的安全性能，因此，電池鎖止機構(gòu)的設(shè)計和安全性研究對電池快換技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

近年來， 國內(nèi)外專家學(xué)者針對電池快換技術(shù)的設(shè)計研究主要集中在電池箱和電池托架的安全性、輕量化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面。 李垚坤等[3]對電池包箱體結(jié)構(gòu)進行了改進， 并通過驗證得出改進后的結(jié)構(gòu)滿足各項安全性能， 既增強了結(jié)構(gòu)強度和剛度，又實現(xiàn)了輕量化。Kaleg 等[4]使用鋁合金作為電池包外層結(jié)構(gòu)的材料， 并對電池包箱體厚度進行優(yōu)化設(shè)計，從而得到合理的電池包結(jié)構(gòu)。 Zhao 等[5]提出了一種新型復(fù)合材料電池箱， 并對該電池箱進行有限元分析和優(yōu)化， 得到優(yōu)化后的電池箱不僅更輕，且強度和剛度都更強。 Li 等[6]對電動客車動力電池箱底盤進行了有限元分析， 驗證了動力電池箱底盤結(jié)構(gòu)的安全性。Hartmann 等[7]對電池箱進行優(yōu)化設(shè)計，既提高了電池箱的固有頻率，又減小了電池箱的重量。 Ma 等[8]在應(yīng)用泡沫鋁材料的基礎(chǔ)上,對電池包箱體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件進行了優(yōu)化設(shè)計，可有效減輕整車質(zhì)量，提高整車安全性。 羅發(fā)強等[9]建立了快換電池托架有限元模型，并對該電池托架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性和模態(tài)特性進行了仿真分析。丁麗平等[10]基于SolidWorks 軟件分析了其公司生產(chǎn)的動力電池箱托架的靜強度。 丁習(xí)坤[11]針對電池箱在更換時出現(xiàn)鎖止機構(gòu)損壞問題進行了研究，經(jīng)過仿真計算后，對結(jié)構(gòu)進行改進和驗證。張永峰等[12]以一種電池箱閉鎖機構(gòu)為研究對象，通過力學(xué)理論計算、運動仿真分析以及實驗驗證，得出該閉鎖機構(gòu)在鎖緊的過程可以有效的防止電池箱甩出脫落。

1 快換電池鎖止裝置設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

根據(jù)底盤換電的特點以及現(xiàn)有鎖止機構(gòu)的優(yōu)缺點，設(shè)計快換電池鎖止裝置的結(jié)構(gòu)。 本文設(shè)計的快換電池鎖止裝置是由上鎖體、下鎖體和鎖止機構(gòu)組成， 其中鎖止機構(gòu)包括驅(qū)動桿和四個鎖止鋼球，上鎖體設(shè)有鎖體內(nèi)腔，下鎖體設(shè)有鎖定孔，驅(qū)動桿設(shè)有U 型槽， 鎖止鋼球在下鎖體的鎖定孔以90°均勻分布，圖1 所示為其鎖止及解鎖狀態(tài)圖。 與現(xiàn)有的底盤螺栓鎖止機構(gòu)和固定銷鎖止機構(gòu)相比，該裝置的特點在于實現(xiàn)電池的快速鎖止和解鎖所需的扭矩更小，對材料的性能要求更低，所需的成本更小。 同時該裝置具有防止驅(qū)動桿頂升或者松脫過度，導(dǎo)致零件脫落或者破壞的特點[13]。

圖1 快換電池鎖止裝置鎖止及解鎖狀態(tài)圖Fig.1 Lock and unlock status for quick change battery lock device

該裝置的下鎖體與電池包箱體固定，上鎖體與汽車底架固定。 首先驅(qū)動桿與下鎖體螺紋連接，如圖1（b）所示位置，使得鎖止鋼球能縮進于鎖定孔中，將下鎖體伸入鎖體內(nèi)腔中；擰動驅(qū)動桿頂升使得鎖止鋼球相對于鎖定孔伸出并與上鎖體內(nèi)壁卡接，如圖1（a）所示位置，即實現(xiàn)鎖止；擰動驅(qū)動桿下降使得U 型槽與鎖止鋼球?qū)?，且鎖止鋼球相對于鎖定孔縮進并保持在鎖定孔內(nèi)，即實現(xiàn)解鎖。

1.2 鎖止裝置的布置形式

本文選用寧德時代提供給蔚來的100 kW·h 的電池包來驗證該裝置是否滿足強度設(shè)計要求，電池包的重量為555 kg。 為了使電池包安全牢固的固定在汽車底架上，實際做換電時，電池包固定吊點通常設(shè)計時要固定8～12 個，因此，對鎖止裝置進行如下布置形式，采用8 個快換電池鎖止裝置分布在電池包箱體的四周邊緣。 如圖2 所示，保留電池包下箱體，去除電池包上蓋、電池組及其它電池組件，稱該結(jié)構(gòu)為整體模型。 為了更好的分析快換電池鎖止裝置的靜態(tài)特性，以整體模型作為分析該裝置靜態(tài)特性的對象。

圖2 鎖止裝置的布置形式Fig.2 Arrangement of locking device

2 有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

將快換電池鎖止裝置模型和整體模型轉(zhuǎn)化為IGS 格式導(dǎo)入ANSYS Workbench 中進行網(wǎng)格劃分，本文選用四面體單元類型劃分電池包箱體、 上鎖體、下鎖體和驅(qū)動桿，六面體單元類型劃分鎖止鋼球，電池包下箱體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為12 mm，鎖止裝置網(wǎng)格尺寸控制在1～3.5 mm。并且為了提高網(wǎng)格計算精度，還需對重點區(qū)域進行局部網(wǎng)格劃分，得到快換電池鎖止裝置網(wǎng)格數(shù)量為62 327， 節(jié)點數(shù)為106 459，整體模型網(wǎng)格數(shù)量為803 439，節(jié)點數(shù)為1 460 659，網(wǎng)格質(zhì)量縱橫比最小都為1.004 6，滿足網(wǎng)格劃分質(zhì)量規(guī)范標準[14]。 圖3 和圖4 分別為快換電池鎖止裝置有限元網(wǎng)格模型和整體結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型。

圖3 鎖止裝置有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Finite element mesh model of locking device

圖4 整體結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型Fig.4 Finite element analysis model

2.2 材料屬性

本文選用4140 合金鋼作為快換電池鎖止裝置的材料，7075 鋁合金為電池包的材料， 其材料屬性如表1 所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

3 快換電池鎖止裝置靜、模態(tài)特性分析

3.1 靜態(tài)特性分析

靜態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)受靜載荷作用下的響應(yīng)，如應(yīng)力、應(yīng)變和位移等[15]。通過分析快換電池鎖止裝置的靜態(tài)特性， 得到該裝置的應(yīng)力和變形云圖，判斷該裝置是否滿足所選材料的強度要求。

3.1.1 約束條件及施加載荷

中國和歐盟產(chǎn)業(yè)內(nèi)貿(mào)易指數(shù)如圖6所示，太陽能產(chǎn)業(yè)內(nèi)貿(mào)易指數(shù)主要分布在[0，0.5]區(qū)間，且大部分年份是在(0.25，0.50]區(qū)間，即中歐太陽能產(chǎn)業(yè)內(nèi)貿(mào)易處于較低水平，中歐在太陽能領(lǐng)域的國際分工屬于垂直分工。而中國與歐盟風(fēng)能產(chǎn)業(yè)內(nèi)貿(mào)易指數(shù)主要分布在[0.5，1]區(qū)間，屬于典型的水平型國際分工，只是近年來風(fēng)能產(chǎn)業(yè)內(nèi)貿(mào)易指數(shù)有下降趨勢。

施加載荷：電池包總質(zhì)量m 為555 kg。 由于汽車在復(fù)雜的外部環(huán)境行駛，因此本文選取顛簸急轉(zhuǎn)彎和急剎車兩種典型極限工況分析該裝置的靜態(tài)特性。 汽車在急剎車和急轉(zhuǎn)彎工況下最大加速度分別為1g（方向與行駛方向相反）和0.4g，且在顛簸路段汽車最大加速度為2g （垂直方向下），與重力加速度方向相同，因此顛簸路段最大加速度取3g[16-18]。 因此，汽車在顛簸急轉(zhuǎn)彎工況下，電池包箱體底部的作用力為F=3mg=16 328 N，電池包箱體側(cè)內(nèi)壁與中間縱梁側(cè)壁受到的力F1=0.4mg=2 177 N；汽車在顛簸急剎車工況下，電池包箱體底部受到的力為F=3mg=16 328 N， 電池包箱體前內(nèi)壁與中間三橫梁前壁受到的力為F2=mg=5 442 N。 約束條件：約束8 個上鎖體的4 個螺栓孔的全部自由度。 并將上鎖體與下鎖體的接觸設(shè)置為無分離， 下鎖體腔體段與箱體的接觸設(shè)置為無摩擦，整體模型其它接觸設(shè)置為綁定接觸，圖5 和圖6分別為兩種工況下的邊界條件示意圖。

圖5 顛簸急轉(zhuǎn)彎工況下的邊界條件示意圖Fig.5 Schematic diagram of boundary conditions under bumpy and sharp turn conditions

圖6 顛簸急剎車工況下的邊界條件示意圖Fig.6 Schematic diagram of boundary conditions under bumpy and sharp braking conditions

3.1.2 顛簸急轉(zhuǎn)彎工況

通過ANSYS 求解計算， 得到顛簸急轉(zhuǎn)彎工況下快換電池鎖止裝置的應(yīng)力和變形情況分別如圖7和圖8 所示。

圖7 顛簸急轉(zhuǎn)彎工況下應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud under bumpy and sharp turn conditions

圖8 顛簸急轉(zhuǎn)彎工況下變形云圖Fig.8 Deformation cloud map under bumpy and sharp turn conditions

3.1.3 顛簸路段急剎車工況

通過ANSYS 求解計算得到， 顛簸急剎車工況下快換電池鎖止裝置的應(yīng)力和變形情況分別如圖9和圖10 所示。

圖9 顛簸急剎車工況下應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud under bumpy and hard braking conditions

圖10 顛簸急剎車工況下變形云圖Fig.10 Deformation cloud map under bumpy and sharp braking conditions

由圖7～圖10 可知，當汽車處于顛簸路段急轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力和最大變形分別位于上鎖體和下鎖體處， 其最大應(yīng)力值為207.63 MPa， 最大變形量為0.067 873 mm。當汽車處于顛簸急剎車工況下，最大應(yīng)力和最大變形同樣分別位于上鎖體和下鎖體處，最大應(yīng)力值為264.18 MPa，最大變形量0.071 179 mm。

本文選用的材料為4140 低合金鋼， 其材料的屈服強度[σs]=610 MPa。 由于靜載條件下，塑性材料的安全系數(shù)可取1.5～2.0， 取材料的安全系數(shù)為γ=1.7，其許用應(yīng)力就為[σ]=[σs]/γ=358.8 MPa。 而上述兩種工況下的最大應(yīng)力結(jié)果分別為207.63 MPa 和264.18 MPa，均小于許用應(yīng)力358.8 MPa。 因此，快換鎖止裝置的結(jié)構(gòu)滿足所選材料的許用應(yīng)力，即滿足強度設(shè)計要求。

3.2 模態(tài)特性分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的一種方法，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 分析結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型， 找出結(jié)構(gòu)剛度不足的零件，避免發(fā)生共振[19]。

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)有限元分析時，其平衡方程如下

式中：M 為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；C 為系統(tǒng)的阻尼矩陣；K 為系統(tǒng)的剛度矩陣；δ¨，δ˙，δ 分別為系統(tǒng)的加速度矩陣，速度矩陣和位移矩陣。

而模態(tài)分析是在F（t）＝0 的條件下進行的，這時阻尼小的可以忽略，因此式（1）可化為

式（2）的解可設(shè)為

將式（3）代入式（2）可得

由于結(jié)構(gòu)在自由振動下，式（4）中的振幅δ0不存在全為零，因此，式（4）中K-ω2M 行列式的值一定是零，由此能得到結(jié)構(gòu)在自由振動下，其頻率方程為

由此可通過求解式（5）得到結(jié)構(gòu)的固有頻率，再代入式（4），可得到結(jié)構(gòu)的固有振型。

ANSYS 模態(tài)提取方法中，Block Lanczos 法求解精度高，運算速度也較快，對計算機的要求也不高，因此采用此法對快換電池鎖止裝置進行模態(tài)分析。

約束快換電池鎖止裝置上鎖體的4 個螺栓孔的所有自由度，將上鎖體與下鎖體接觸設(shè)置為無分離， 鎖止裝置其它接觸設(shè)置為綁定接觸。 通過ANSYS 求解得到鎖止裝置的前6 階固有頻率，如表2 所示，其中前6 階振型圖如圖11～圖16 所示。

表2 前6 階固有頻率Tab.2 Natural frequencies of the first 6 order

圖11 第1 階模態(tài)振型圖Fig.11 Modal mode diagram of the first order

圖12 第2 階模態(tài)振型圖Fig.12 Modal mode diagram of the second order

圖13 第3 階模態(tài)振型圖Fig.13 Modal mode diagram of the third order

圖14 第4 階模態(tài)振型圖Fig.14 Modal mode diagram of the fourth order

圖15 第5 階模態(tài)振型圖Fig.15 Modal mode diagram of the fifth order

圖16 第6 階模態(tài)振型圖Fig.16 Modal mode diagram of the sixth order

從圖11～圖16 可知，快換電池鎖止裝置的第1 階模態(tài)主要表現(xiàn)為下鎖體和驅(qū)動桿繞X 軸擺動，第2階模態(tài)主要表現(xiàn)為下鎖體和驅(qū)動桿繞Z 軸擺動， 第3階模態(tài)主要表現(xiàn)為下鎖體沿Y 軸上下振動，第4 階模態(tài)主要表現(xiàn)為下鎖體繞Z 軸擺動，第5 階模態(tài)主要表現(xiàn)為下鎖體繞X 軸擺動，第6 階模態(tài)主要表現(xiàn)為下鎖體繞Y 軸的轉(zhuǎn)動。綜上，快換電池鎖止裝置振動部位主要發(fā)生下鎖體上， 第一階最小固有頻率為1 905.9Hz。電動汽車所受外界激勵頻率不超過30 Hz[20]，均遠小于鎖止裝置各階模態(tài)的固有頻率，因此汽車在行駛的過程不會發(fā)生共振。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種快速換電的鎖止裝置，以實現(xiàn)電池的快速鎖止和解鎖。 通過ANSYS 軟件分析了該裝置在兩種典型極限工況下的靜態(tài)特性，同時對該裝置進行了模態(tài)分析，得出以下結(jié)論。

1） 在兩種典型極限工況下，電動汽車快換電池鎖止裝置應(yīng)力最大和變形最大的位置分別位于上鎖體和下鎖體處，且應(yīng)力最大值均小于材料的許用應(yīng)力，滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求。

2） 通過對鎖止裝置進行模態(tài)分析可知，振動部位主要集中在下鎖體，但各階模態(tài)固有頻率均大于電動汽車所受激勵頻率，所以鎖止裝置在行駛的過程不會發(fā)生共振。