摘要：為解決換電式重卡換電箱質(zhì)量過大的問題，在保證可靠性和安全性的前提下，對某重型純電動商用車換電箱框架進行輕量化設(shè)計，采用有限元分析輕量化換電箱的約束模態(tài)、靜強度、變形，結(jié)合臺架振動試驗與整車強化壞路試驗進行驗證。結(jié)果表明：輕量化設(shè)計后，換電箱質(zhì)量由735 kg減輕至426 kg;換電箱優(yōu)化后的一階振型模態(tài)頻率為12.24 Hz，滿足模態(tài)頻率大于10.00 Hz的要求；前進中緊急制動、右急轉(zhuǎn)彎、向上顛簸工況、換電提升4種典型工況的安全因數(shù)為2.18～3.19，均超過1.25，靜強度滿足設(shè)計要求；4種工況下?lián)Q電箱最大變形為5.90 mm，滿足企業(yè)技術(shù)標準要求。臺架試驗及壞路試驗結(jié)果表明換電箱外觀完好無損，未見任何損壞跡象，滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：輕量化；換電箱；載荷譜采集；有限元分析；整車試驗

中圖分類號：U469.7文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2025）01-0080-07

引用格式：朱秀文，李偉，張東江，等.重型新能源商用車換電箱輕量化設(shè)計［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2025，42（1）：80-86.

ZHU Xiuwen，LI Wei，ZHANG Dongjiang，et al.Lightweight design of the battery swap box for a heavy-duty new energy commercial vehicle ［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2025，42（1）：80-86.

0 引言

近年來，隨著新能源車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對電池系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、續(xù)駛里程、充電設(shè)施等各項技術(shù)指標有了更高的要求^[1-2]。新能源車輛“車電分離”模式可在5～10 min完成電池組更換，具有速度快、效率高的優(yōu)勢^[3-4]，在重型商用車特定的短途運輸場景中（如礦區(qū)、發(fā)電廠、港口等區(qū)域）得到了廣泛應(yīng)用^[5-6]。

換電式重型商用車的換電箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量較大，導(dǎo)致?lián)Q電式重卡總質(zhì)量明顯高于傳統(tǒng)燃油重卡，車輛有效載荷能力降低，運營成本增加^[7-8]。換電箱質(zhì)量主要包括動力電池組、集成控制模塊、換電箱框架及外殼的質(zhì)量。由于換電箱框架在換電箱總質(zhì)量中占比較大，約為15%～25%，因此對換電箱框架進行輕量化設(shè)計是減輕換電箱質(zhì)量的有效途徑^[9]。

本文中將真實工作場景下采集的重型商用車載荷譜進行數(shù)據(jù)處理，確定有限元仿真分析邊界條件，分析換電箱框架優(yōu)化后的模態(tài)、強度和變形，并通過試驗驗證輕量化換電箱框架的結(jié)構(gòu)可靠性。

1 換電箱框架輕量化設(shè)計

1.1 載荷譜采集

某重型新能源商用車采用原換電箱方案，利用LMS數(shù)據(jù)采集設(shè)備實時采集和存儲不同工況下的實車試驗數(shù)據(jù)，分別在底托左右側(cè)車架、橫梁的中部及換電箱框架重心（由于框架內(nèi)部為電池組，用單側(cè)框架重心進行模擬）5個位置安裝加速度傳感器，得到換電箱車架不同位置的振動載荷譜，利用Ncode軟件對載荷譜數(shù)據(jù)進行分析處理，為有限元仿真提供精確的邊界條件。車輛傳感器安裝位置示意圖如圖1所示。

緊急制動、急轉(zhuǎn)彎和顛簸工況是重型新能源商用車較典型的工況，選取前進中緊急制動、右急轉(zhuǎn)彎、向上顛簸工況（分別記為工況A、B、C）進行分析，且實際換電過程中需提升換電箱，綜合考慮換電箱質(zhì)量、提升過程中的慣性沖擊力及可能出現(xiàn)的意外故障（如鎖止故障等），設(shè)置換電提升工況（記為工況D），提升力設(shè)置為40 kN，方向為z（垂直地面向下）。

由于車輛在極端情況下（如行駛路面有大面積凹坑、極端情況下緊急制動等）可能導(dǎo)致電池框架損壞。

為進行精確的結(jié)構(gòu)性能評估和優(yōu)化設(shè)計，仿真工況應(yīng)真實反映換電箱實際工況狀態(tài)。結(jié)合采集數(shù)據(jù)和可能的極端情況，為保證仿真工況的準確性和可靠性，設(shè)置載荷邊界條件，進行有限元分析。不同仿真工況載荷邊界條件如表1所示，表中g(shù)為自由落體加速度。

1.2 框架材料

換電箱在使用過程中受到不同程度的沖擊，綜合考慮碰撞安全性、維修拆裝方便性、高強度和高可靠性等要求，選用高強度鋼作為換電箱框架，框架材料性能參數(shù)如表2所示。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于該車現(xiàn)有換電箱底托的幾何參數(shù)與預(yù)設(shè)電池包模塊輪廓，參照現(xiàn)行企業(yè)換電系統(tǒng)設(shè)計標準，考慮動力電池組件的裝配精度、穩(wěn)固性及后續(xù)運維實際需求，在不影響換電箱框架剛度和強度的前提下，通過優(yōu)化換電箱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)換電箱承載框架的輕量化設(shè)計，提高電池更換過程工作效率^[10]。

換電箱框架優(yōu)化前、后結(jié)構(gòu)對比如圖2所示。由圖2可知：結(jié)合框架上部承重小、底部承重大的實際承重分布，取消原框架前、后、左、右4面承重效率低的大斜筋，框架前、后底部增設(shè)斜筋（藍色），提高工況B時框架的剛度和強度；減少電池置放架縱梁，并增設(shè)加強小斜筋（灰色），灰色短縱梁與小斜筋配合提高工況A和C時的剛度和強度；將上、下的橫梁尺寸由60 mm×50 mm×4 mm優(yōu)化為60 mm×45 mm×3 mm，優(yōu)化后的橫梁（綠色）與小斜筋配合，提高正常使用過程及工況D時的剛度和強度。該優(yōu)化措施不僅減輕框架整體質(zhì)量，還實現(xiàn)了電池從側(cè)面抽出的設(shè)計，提高了電池運維的便捷性。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的換電箱框架質(zhì)量為426 kg，相較于原框架的735 kg，質(zhì)量減少42%，效果顯著。

2 有限元仿真分析

2.1 有限元模型

采用有限元分析驗證優(yōu)化后換電箱電池框架的約束模態(tài)、靜強度和變形。為了確保仿真結(jié)果的準確性，導(dǎo)入換電箱底托結(jié)構(gòu)和電池組模型（下四層）進行合并計算，其他控制組件（上一層）因體積和質(zhì)量較小，對框架的模態(tài)、強度和變形影響較小，用質(zhì)量點進行模擬。采用HyperMesh軟件構(gòu)建換電箱總成模型，在底托橫梁底面、橫梁與主車架的螺栓連接處建立剛性連接，并對連接點施加6個自由度的約束，輕量化換電箱總成有限元分析模型如圖3所示。

2.2 仿真分析

2.2.1 約束模態(tài)分析

采用有限元計算優(yōu)化后換電箱框架的約束模態(tài)，前兩階約束模態(tài)如圖4所示。

優(yōu)化后換電箱框架的一階振型為箱體上部沿車輛前進方向擺動，模態(tài)頻率為12.24 Hz；二階振型為箱體上部沿車輛轉(zhuǎn)彎方向擺動，模態(tài)頻率為20.54 Hz。一、二階模態(tài)頻率均滿足大于企業(yè)最低模態(tài)頻率（10 Hz）的技術(shù)設(shè)計要求，優(yōu)化后換電箱框架的約束模態(tài)頻率符合設(shè)計要求。

2.2.2 靜強度分析

采用有限元計算4種工況下?lián)Q電箱框架應(yīng)力，如圖5所示。

在靜強度評估中，采用安全因數(shù)作為評判標準。參考工程實踐經(jīng)驗，最大應(yīng)力應(yīng)低于材料屈服強度的80%，即安全因數(shù)大于1.25。4種工況下?lián)Q電箱的最大應(yīng)力位置、最大應(yīng)力及安全因數(shù)如表3所示。由表3可知：所有工況安全因數(shù)均超過1.25，優(yōu)化后換電箱框架靜強度滿足設(shè)計要求。

2.2.3 變形分析

通過有限元計算4種工況下?lián)Q電箱框架整體變形，如圖6所示。

在變形評估中，根據(jù)實際經(jīng)驗，采用1.00 m長度位移變形不超過3.00 mm的標準進行評價。4種工況下?lián)Q電箱的最大變形位置、最大變形和企業(yè)允許變形技術(shù)要求如表4所示。

4種工況下?lián)Q電箱最大變形均未超出極限變形，換電箱變形符合要求。但工況A最大變形為5.90 mm，接近允許變形（6.00 mm），若進一步輕量化可能影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。綜合考慮模態(tài)、靜強度與變形等多方面因素，本文中設(shè)計的輕量化電池框架在當前條件下為最優(yōu)設(shè)計狀態(tài)。

3 試驗驗證

3.1 臺架振動試驗

在外部暴露環(huán)境下對電池進行振動試驗存在危險，因此換電箱框架的下四層安裝與電池質(zhì)量相等的配重塊，上一層安裝與控制組件質(zhì)量相等的配重塊，在電動振動臺上進行臺架振動試驗。根據(jù)文獻[11]中安裝在輪式車設(shè)備的試驗譜進行振動試驗，要求垂直于指定軸向（z軸）的任一軸（x、y）的總加速度均方根不應(yīng)超過z軸加速度均方根的50%，每個軸向持續(xù)振動8 h，試驗譜拐點分別為10、50、1 000 Hz，對應(yīng)的加速度譜密度分別為10、10、0.1 （m/s²）²/Hz。試驗結(jié)果顯示，樣品在振動后外觀完好無損，未見損壞跡象，驗證了換電箱框架在振動環(huán)境下的結(jié)構(gòu)可靠性。

3.2 整車試驗

為驗證輕量化換電箱框架使用壽命，進行整車試驗。試驗車輛在標準強化道路試驗場地按照規(guī)定的壞路試驗路線進行繞圈行駛，并在行駛里程分別為0.5萬、1.0萬、1.5萬和2.0萬km處進行檢查。經(jīng)檢驗輕量化后的換電箱框架在整個試驗過程中未出現(xiàn)屈服性開裂或斷裂現(xiàn)象，滿足使用壽命要求。

臺架振動試驗和整車強化壞路試驗結(jié)果表明輕量化換電箱結(jié)構(gòu)可靠，使用壽命符合實際使用要求，輕量化換電箱方案可行。

4 結(jié)論

1）采集原換電箱進行前進中緊急制動、右急轉(zhuǎn)彎、向上顛簸工況、換電提升工況下的實車載荷譜，確定有限元仿真邊界，使仿真工況真實反映換電箱實際工況狀態(tài)。

2）結(jié)合框架上部承重小、底部承重大的實際承重分布，取消原框架前、后、左、右4面承重效率低的大斜筋，在框架前、后底部增設(shè)斜筋；減少電池置放架縱梁，增設(shè)加強小斜筋；將上、下橫梁尺寸由60 mm×50 mm×4 mm優(yōu)化為60 mm×45 mm×3 mm，輕量化設(shè)計后的換電箱框架質(zhì)量為426 kg，比原框架減輕了309 kg，質(zhì)量減少42%，效果顯著。

3）采用有限元分析對輕量化設(shè)計后的換電箱框架進行模態(tài)、靜強度及變形分析，均符合設(shè)計要求；通過臺架振動試驗與整車強化壞路試驗驗證了輕量化換電箱方案的可行性。

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Lightweight design of the battery swap box for

a heavy-duty new energy commercial vehicle

ZHU Xiuwen1， LI Wei1， ZHANG Dongjiang2， ZHOU Shuai^1*， WANG Tong1

1.School of Automotive Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China；

2.Shanghai Enneagon Energy Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201821， China

Abstract：In order to solve the problem of excessive mass of the battery swap box for heavy-duty trucks， the framework of the battery swap box for a certain heavy-duty pure electric commercial vehicle is lightweight under the premise of ensuring reliability and safety. The constraint mode， static strength and deformation of the lightweight battery swap box are analyzed by finite element method， and verified by vibration test and full vehicle reinforcement bad road test. The analysis results show that after lightweight design， the mass of the battery swap box is reduced from 735 kg to 426 kg， the first order modal frequency of the improved battery swap box is 12.24 Hz， which meets the requirement of modal frequency greater than 10.00 Hz， the safety factor of the four typical working conditions of emergency braking， right emergency turning， upward jolting and battery swapping lifting are 2.18～3.19，all exceed 1.25， and the static strength meets the design requirements. The maximum deformation of the battery swap box under the four working conditions is 5.90 mm， which meets the requirement of enterprise technical standards. The results of the bench test and the bad road test show that appearance of the battery swap box is intact without any signs of damage， meeting the requirements for use.

Keywords：lightweight; battery swap box; load spectrum collection; finite element analysis; vehicle testing

（責任編輯：胡曉燕）