鉅大LARGE | 點擊量:1314次 | 2019年05月31日
電動汽車動力電池包布置集成研究
國家新能源汽車補(bǔ)貼政策的頒布,以及新能源汽車積分制度的提出,足以看出政府對發(fā)展新能源汽車的決心;同時在技術(shù)層面,中國汽車工程學(xué)會也發(fā)布了《節(jié)能及新能源汽車技術(shù)路線圖》,總體方針是以純電動力作為突破口和基礎(chǔ)平臺,帶動混合動力汽車、燃料電池汽車全方位發(fā)展,最終形成新能源汽車的總體競爭優(yōu)勢。
倡導(dǎo)純電動車汽車,首先要大力發(fā)展核心部件動力電池的技術(shù),因為其直接關(guān)系到電動汽車的續(xù)航里程、使用安全和成本等。
動力電池分類
從鉛酸電池、鎳氫電池,再到鋰離子電池(鋰電池),車用動力電池也走過了漫長的過程。目前已經(jīng)量產(chǎn)的鋰電池,其主要差異在產(chǎn)品的外形和正極材料,以下所闡述的分類對比正是圍繞這兩個方面來展開。
1.正極材料分類
當(dāng)前按照正極材料,鋰電池可以分為鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鐵鋰和三元鋰。以下從成本、能量密度、布置靈活性、壽命和安全性等方面對比分析這四種典型鋰電池的特點,具體見圖1和圖2。
2.電池封裝形式分類
動力電池雖然有很多不同的外形和大小,但常用的可以按照圖3所示的方式分類。
動力電池包整車架構(gòu)集成
在純電動車項目前期架構(gòu)開發(fā)中,如何合理布置集成動力電池包是至關(guān)重要的,具體工作要素,主要涉及離地間隙、通過性、碰撞安全和電量需求等幾個方面,以下將分別介紹。
1.電池的離地間隙要求
在電池下表面有結(jié)構(gòu)件保護(hù)的情況下,同時也需要滿足以下條件:最大上跳的狀態(tài)下,電池距離地面需要保證一定的間隙;滿載狀態(tài)下保證具有競爭性的離地間隙;電池RESS在正向需要有保護(hù);電池RESS布置不得低于周邊車身結(jié)構(gòu)的最低面。
2.乘員艙人機(jī)布置對電池Z向尺寸的限制
某電動車項目人機(jī)布置可以看出,在Z向緯度上共有9個工程指標(biāo)需要考慮,具體為乘員H點到地面的距離H5、乘員的坐高H30、頭部空間H61、腳踵點到地面的距離H8、電池包Z向厚度、電池包離地間隙、車高H100、電池包上表面到地板上表面的距離以及地毯和隔音棉的厚度。由此根據(jù)造型要求限定了車身的高度,依據(jù)人機(jī)布置要求,可以推出電池包的Z向尺寸限制面。
3.潰縮空間對電池Y向尺寸的限制
由于電池的工作電壓一般為大于300?V的高壓電,加上電池單體里的電解液具有高腐蝕性,因此電池包在整車布置時需要設(shè)置合理的安全潰縮間隙,其中側(cè)向碰撞工況尤為苛刻。具體車型要通過CAE迭代分析手段,得出合理的電池到門檻板側(cè)向潰縮距離設(shè)計。
4.后懸架形式對電池X向尺寸的限制
某電動車項目電池X向尺寸限制尺寸與不同懸架形式的對應(yīng)關(guān)系,其中前輪心到1.5號梁X向具體是指緊貼電池前表面的1.5號梁到前輪心的X向距離,可以近似為電池前表面到前輪心的距離,則不同懸架型式在X向的長度不同導(dǎo)致對于電池的X向尺寸限制存在差異。其中安全后碰距離指電池后表面在X向上到后橋最近點的數(shù)值須大于50?mm。
5.整車載荷傳遞路徑對電池包設(shè)計的限制
整車載荷傳遞路徑可以大致分解為:前艙載荷路徑、前中地板載荷傳遞和后地板載荷路徑。由于未來的電池包布置方案基本都在地板下方平鋪,所以前中地板載荷傳遞路徑設(shè)計與電池包的結(jié)構(gòu)方案息息相關(guān)。
根據(jù)大量的CAE分析及競爭車型研究,一般在前中地板的上方會布置兩根橫梁,其主要功能是作為座椅支撐結(jié)構(gòu)、防止碰撞時座椅被拉拽,同時也承載柱碰時的載荷傳遞。對于地板下方的電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計,也希望盡量使前后模組之間的橫梁與2號、3號梁的位置偏差最小,可以起到提高側(cè)面碰撞時電池的抗壓能力。
經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化,對于地板下方的載荷傳遞,主要是通過布置電池側(cè)面的縱梁延伸梁及電池前方的1.5號梁來完成,具體如圖8所示,圖中紫色縱向梁通過三角形結(jié)構(gòu)及1.5號梁與前艙縱梁連接,進(jìn)行正面碰撞的載荷傳遞;同時電池框架也應(yīng)作為載荷傳遞路徑與車身載荷路徑一起配合;電池包內(nèi)部的梁結(jié)構(gòu)應(yīng)與車身2/3/4號梁、中央通道梁位置保持一致。
6.續(xù)航里程對于電量的需求
對同樣的電池單元模組,續(xù)航里程和電池的能量密度及容量有關(guān),而電池的容量參數(shù)又是由其內(nèi)部電芯單體串并聯(lián)的數(shù)量和方式所決定的,最終會導(dǎo)致電池包整體形狀和大小的變化。表2詳細(xì)列舉了不同供應(yīng)商電池包在相同續(xù)航里程目標(biāo)要求下,由于單體和模組的能量密度及串并聯(lián)方式的不同,導(dǎo)致電量及電池包尺寸的差異化。
7.電池包安裝接口要求
電池包在整車上的安裝方式直接影響其模態(tài)和強(qiáng)度,一般在電池包四周每隔一段距離需要布置一個安裝點,如果整體電池包長度大于2?m,建議在中間位置增加吊掛點改善模態(tài)。
8.電池包外部保護(hù)要求
電池RESS作為重要的安全件,需要在整車級別上設(shè)計一系列的結(jié)構(gòu)方案去保護(hù)它。一般成熟的方案是在電池的底部增加鋼制材料的防護(hù)板,與電池底板螺接固定,同時還需在安裝點附近涂抹密封膠,防止在車輛使用過程中異物及水的浸入,具體方案如圖9所示。
結(jié)語
本文只重點介紹了動力電池包在整車前期架構(gòu)布置集成中需要考慮的因素,并未過多分析電池包與電動機(jī)的系統(tǒng)電壓匹配、電池包的冷卻設(shè)計及目標(biāo)電量的選擇等方面內(nèi)容,但在實際項目中,這些設(shè)計指標(biāo)也是直接影響車型電池包設(shè)計的關(guān)鍵要素,都需要深入研究分析。
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