電動汽車電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計分析【獨家畢業(yè)課程設(shè)計含任務(wù)書+開題報告+外文翻譯+中期報告+答辯PPT】

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It of by is a a to is of of in to in of at up 00000 is to of so as to is in in by to of To a it is to 8, is a of in of of it is of of of to It no no to be is no 7 is in to be as as it to as as to 011 00 of s to 002, s of to of to be of at in is of is of A of C 9, is a in of so At as is is in as a to of is as an of it a 8 At is in of on of is of so of of of in 9 電動汽車用蓄電池的技術(shù)狀況及發(fā)展前景 汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，推動了全球機械、能源等工業(yè)的進步以及經(jīng)濟、交通等方面的發(fā)展，同時也極大的方便了人們的生活。但是，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車所固有的消耗能源、污染環(huán)境的缺陷也一直影響和困撓著人們的生活及社會的發(fā)展，隨著社會的進步和科技的發(fā)展，隨著保護環(huán)境、節(jié)約資源的呼聲日益高漲，新一代電動汽車電動汽車作為無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具，近些年來引起了人們的普遍關(guān)注并得到了極大的發(fā)展。北京要把 2008 年奧運會辦成一屆綠色的奧運會，其中的一項工作就是要用環(huán)保型的電動汽車來替代 目前的內(nèi)燃機汽車。 電動汽車以電力驅(qū)動，行駛無排放（或低排放），噪音低，能量轉(zhuǎn)化效率比內(nèi)燃機汽車高很多，同時電動汽車還具有結(jié)構(gòu)簡單、運行費用低等優(yōu)點，安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機汽車。但電動汽車目前還存在價格較高、續(xù)駛里程較短、動力性能較差等問題，而這些問題都是和電源技術(shù)密切相關(guān)的，電動汽車實用化的難點仍然在于電源技術(shù)，特別是電池（化學(xué)電源）技術(shù)。目前制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素是動力蓄電池蓄電池不理想，而開發(fā)電動汽車的競爭，最重要的就在于開發(fā)車載動力電池的競爭。 電動汽車用動力蓄電池與一般啟動蓄電池不同，它是以較長時間的中等電 流持續(xù)放電為主，間或以大電流放電（起動、加速時），并以深循環(huán)使用為主。電動汽車對電池的基本要求可以歸納為以下幾點： 1、高能量密度； 2、高功率密度； 3、較長的循環(huán)壽命； 4、較好的充放電性能； 5、電池一致性好； 6、價格較低； 7、使用維護方便等。 當(dāng)前研究開發(fā)的電動汽車動力電池主要包括鉛酸電池、鎳金屬電池、鋰離子蓄電池、高溫鈉電池、金屬空氣電池、超級電容超級電容、飛輪電池以及具有更好發(fā)展遠(yuǎn)景的燃料電池和太陽能電池。 10 1、鉛酸電池 鉛酸電池已有１００多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起動動力源，它也是 成熟的電動汽車蓄電池。鉛酸電池正負(fù)電極分別為二氧化鉛和鉛，電解液為硫酸。鉛酸電池又可以分為兩類，即注水式鉛酸電池和閥控式鉛酸電池。前者價廉，但需要經(jīng)常維護，補充電解液；后者通過安全控制閥自動調(diào)節(jié)密封電池體內(nèi)在充電或工作異常時產(chǎn)生的多余氣體，免維護，更符合電動汽車的要求?？傮w上說，鉛酸電池具有可靠性好、原材料易得、價格便宜等優(yōu)點，比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。但它有兩大缺點；一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個是使用壽命短，使用成本過高。由于鉛酸電池的技術(shù)比較成熟，經(jīng) 過進一步改進后的鉛酸電池仍將是近期電動汽車的主要電源，正在開發(fā)的電動汽車用先進鉛酸電池主要有以下幾種：水平鉛酸電池、雙極密封鉛酸電池、卷式電極鉛酸電池等。 2、鎳金屬電池 目前在電動汽車上使用的鎳金屬電池主要有鎘鎳電池和氫鎳電池兩種。鎘鎳電池和鉛酸電池相比，能夠達到比能量 55Wh/功率 200W/環(huán)壽命 2000 次，而且可以快速充電，雖說其價格為鉛酸蓄電池的 4～ 5倍，但由于其在比能量和使用壽命方面的優(yōu)勢，因此其長期的實際使用成本并不高。但由于其含有重金屬鎘，在使用中不注意回收的話，就會形 成環(huán)境污染，目前許多發(fā)達國家都已限制發(fā)展和使用鎘鎳電池。而氫鎳電池則是一種綠色鎳金屬電池，它的正負(fù)極分別為鎳氫氧化物和儲氫合金材料，不存在重金屬污染問題，且其在工作過程中不會出現(xiàn)電解液增減現(xiàn)象，電池可以實現(xiàn)密封設(shè)計。鎳氫電池在比能量、比功率及循環(huán)壽命等方面都比鎘鎳電池有所提高，使用氫鎳電池的電動汽車一次充電后的續(xù)駛里程曾經(jīng)達到過 600 公里，目前在歐美已實現(xiàn)了批量生產(chǎn)和使用。氫鎳電池就其工作原理和特點是適合電動汽車使用的，它已被列為近期和中期電動汽車用 11 首選動力電池，但其還存在價格太高，均勻性較差（特別是在高速 率、深放電下電池之間的容量和電壓差較大），自放電率較高，性能水平和現(xiàn)實要求還有差距等問題，這些問題都影響著氫鎳電池在電動汽車上的廣泛使用。 3、鋰離子蓄電池 鋰離子蓄電池是 90 年代發(fā)展起來的高容量可充電電池，能夠比氫鎳電池存儲更多的能量，比能量大，循環(huán)壽命長，自放電率小，無記憶效應(yīng)和環(huán)境污染，是當(dāng)今各國能量存儲技術(shù)研究的熱點，主要集中在大容量、長壽命和安全性三個方面的研究。鋰離子蓄電池中，鋰離子在正負(fù)極材料晶格中可以自由擴散，當(dāng)電池充電時，鋰離子從正極中脫出，嵌入到負(fù)極中，反之為放電狀態(tài)，即在電池充放電循環(huán)過程中，借助于電解液，鋰離子在電池的兩極間往復(fù)運動以傳遞電能。鋰離子蓄電池的電極為鋰金屬氧化物和儲鋰碳材料，根據(jù)電解質(zhì)的不同，鋰離子蓄電池一般可分為鋰離子電池 鋰離子電池和鋰聚合物電池兩種。 4、 高溫鈉電池 高溫鈉電池主要包括鈉氯化鎳電池（ 鈉硫蓄電池兩種。鈉氯化鎳電池是 1978 年發(fā)明的，其正極是固態(tài) 極為液態(tài) 解質(zhì)為固態(tài)β 瓷，充放電時鈉離子通過陶瓷電解質(zhì)在正負(fù)電極之間漂移。鈉氯化鎳電池是一種新型高能電池，它具有比能量高（超過100Wh/無自放電效應(yīng)，耐過充、過放電，可快速充電，安全可靠等優(yōu)點，但是其工作溫度高（ 250，而且內(nèi)阻與工作溫度、電流和充電狀態(tài)有關(guān)，因此需要有加熱和冷卻管理系統(tǒng) 。而鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動汽車蓄電池，它已被美國先進電池聯(lián)合體（ 為中期發(fā)展的電動汽車蓄電池，鈉硫蓄電池具有高的比能量，但它的峰值功 12 率較低，而且這種電池的工作溫度近似 300℃，熔融的鈉和硫有潛在的毒性，腐蝕也限制了電池的可靠性和壽命。 5、鋅空氣電池（ 鋅空氣電池是一種機械更換離車充電方式的高能電池，正極為 極為 收空氣中的氧氣），電解液為 空氣電池具有高比能量（ 200Wh/免維護、耐惡劣工作環(huán)境，清潔安全可靠等優(yōu)點，但 是其具有比功率較小（ 90W/不能存儲再生制動的能量，壽命較短，不能輸出大電流及難以充電等缺點。一般為了彌補它的不足，使用鋅空氣電池的電動汽車還會裝有其它電池（如鎳鎘蓄電池）以幫助起動和加速。 6、超級電容 超級電容是為了滿足混合電動汽車能量和功率實時變化要求而提出的一種能量存儲裝置，它是一種電化學(xué)電容，兼具電池和傳統(tǒng)物理電容的優(yōu)點。超級電容往往和其它蓄電池聯(lián)合應(yīng)用作為電動汽車的動力電源，可以滿足電動汽車對功率的要求而不降低蓄電池的性能，超級電容的使用，將減少汽車對蓄電池大電流放電的要求，達到 減少蓄電池體積和延長蓄電池壽命的目的。開發(fā)高比能量、高比功率、長壽命、高效率和低成本的超級電容，可以提高商業(yè)化電動汽車動力性（特別是加速能力）、經(jīng)濟性和續(xù)駛里程。根據(jù)電極材料的不同，超級電容可分為碳類超級電容（雙電層電化學(xué)電容）和金屬氧化物超級電容兩類。 7、飛輪電池 飛輪電池是 90 年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。飛輪電池是一種以動能方式存儲能量的機械電池，它由電動 /發(fā)電機、功率轉(zhuǎn)換、電子控制、飛輪、磁浮軸承和真空殼體等部分組成，具有高功率比、高能量比、高效率、長 壽命和環(huán)境適應(yīng)性好等 13 優(yōu)點。飛輪電池中的電機，在充電時該電機以電動機形式運轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動下，電機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)（可達到 200000即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其動能；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電能的轉(zhuǎn)換。要開發(fā)適合電動汽車的實用性飛輪電池，就必須進一步提高它的安全性和降低成本。 8、燃料電池 燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，它的基本化學(xué)原理是水電解反應(yīng)的逆過程，即氫氧反應(yīng)產(chǎn)生電、水和熱。它不需要燃燒、無轉(zhuǎn)動部件、無噪聲、運行壽命長、可靠性高、維護性能好，實際效率能達到普通內(nèi)燃機的 2 至 3 倍，加之其最終產(chǎn)物又是水，真正達到清潔、可再生、無排放的要求，是 21世紀(jì)的首選能源。而且，燃料電池也不需要像其它電池那樣進行長時間的充電，它只需要像給汽車加油一樣補充燃料即可。據(jù)美國 查公司預(yù)測， 2011 年全球燃料電池汽車的產(chǎn)量將達到 240 萬輛，占世界汽車總產(chǎn)量的 日本政府也計劃在十年內(nèi)普及燃料電池。 2002 年 12 月，日本豐田公司已向日本政府交付了第一批商用燃料電池電動汽 車。燃料電池由正負(fù)電極、催化層和電解質(zhì)構(gòu)成，根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為磷酸型、質(zhì)子交換膜型、堿性型、熔融碳酸鹽型和固體氧化物型等幾種，目前只有質(zhì)子交換膜型燃料電池最適合電動汽車使用，我國研制成功的“中國氫動力首號車”使用的就是質(zhì)子交換膜型燃料電池。一套較完整的燃料電池系統(tǒng)由以下幾個部分組成：燃料處理部分、燃料電池、直流交流轉(zhuǎn)換器和熱能管理部分。 9、太陽能電池 14 太陽能電池是一種把光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，太陽能已廣泛用于照明、家用電器、發(fā)電、交通信號、地質(zhì)、航天等領(lǐng)域。目前，部分機構(gòu)也已研制出了使用太陽能電池的電動汽車樣車，但是由于太陽能電池還存在光電轉(zhuǎn)換效率不高、價格太高、電池系統(tǒng)配置較復(fù)雜等問題，近期內(nèi)只能作為電動汽車的補充電源，還不能大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用，但太陽能作為最清潔的、取之不盡用之不竭的能源，對它的研究和應(yīng)用必將會取得長足的進步。 當(dāng)前電動汽車正處于又一次發(fā)展高潮，電動汽車技術(shù)的全面發(fā)展，重點在能量存儲技術(shù)和動力驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)兩個方面。電動汽車動力驅(qū)動 系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展相對較快，因此隨著能量存儲技術(shù)的發(fā)展和突破，隨著低成本、高能量密度、高功率密度的動力電池和低成本、質(zhì)量輕、體積小的燃料電池商品化的實現(xiàn)，電動汽車必將成為 21 世紀(jì)的主流交通工具。 I 電動汽車電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 摘要： 目前而言， 寰球不能 再生 資源 逐 步干 枯，環(huán)境 凈化 問題日趨嚴(yán)重，“更 平安 、更節(jié)能、更環(huán)保”成為當(dāng)今世界汽車工業(yè) 展開 的 重要 技術(shù) 目標(biāo) 。傳統(tǒng)的化石能源的燃燒對環(huán)境的污染較為嚴(yán)重，純電動汽車具有高效能，噪聲低，零排放等一系列優(yōu)點，正好滿足了現(xiàn)在人們對能源的要求，更是解決化石燃料對環(huán)境污染的問題，收到了全球各國的關(guān)注與重視。 所以，從保護環(huán)境、節(jié)約能源、減少污染物排放量等諸多方面，以環(huán)保動力源做為汽車動力源替代化石能源是社會可持續(xù)發(fā)展的必然發(fā)展，在近些年來也成為全球共同關(guān)注的話題。因此，在我國發(fā)展純電動汽車的意義重大，更是長遠(yuǎn)的發(fā)展戰(zhàn)略考慮。 關(guān)鍵詞 :能源，環(huán)保，電動汽車。 he of t of is "s of of s on is a of to s on a of of to do to is of in a of in of is of a to 錄 摘要 ....................................................................Ⅰ ...............................................................Ⅱ 目錄 .....................................................................Ⅲ 1 緒論 ....................................................究背景 ..............................................................文研究內(nèi)容 .........................................................動汽車蓄電池箱國內(nèi)外現(xiàn)狀 ............................................ 電動汽車底盤布置方案 .................................................言 ..................................................................動汽車整車性能要求及技術(shù)路線 ...................................... 電動汽車性能要求 ................................................ 技術(shù)方案 ............................................................輛操縱穩(wěn)定性影響因素分析 ............................................ 改裝電動汽車結(jié)構(gòu)因素的改變 .......................................... 結(jié)構(gòu)因素對操縱穩(wěn)定性影響分析初探 ...................................盤布置方案設(shè)計 .................................................... 電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計與初步分析 ..............................................動汽車整車性能計算 .................................................力電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...................................................力電池箱靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析 ...............................................車參數(shù)變化 ........................................................ 總結(jié) ............................................... 24 文總結(jié) .........................................................考文獻 ..........................................................謝 .................................................................... 1 緒 論 1． 1 研究背景 在經(jīng)濟發(fā)展的帶動下，汽車保有量在持續(xù)增加。就目前而言，汽車的能源主要以化石燃料為主，燃油汽車的不斷增加，不僅消耗著大量的能源，更給環(huán)境帶來了巨大的壓力，所以發(fā)展新能源勢在必行。 電動汽車（ 作為干凈、高效率、智能化的汽車，可有效的應(yīng)對環(huán)境和能源問題，是燃油汽車?yán)硐氲拇嫫?。目前對純電動汽車的研究主要在電池、?qū)動電機、能量管理系統(tǒng)等方面，大家較多的關(guān)注電動汽車的整車動力性、電池性能、底盤布置等，對于整車整體技術(shù)的開發(fā)較少，導(dǎo)致電動汽車整體表現(xiàn)不如人意，缺乏良好的操縱性能、舒適和平順方面表現(xiàn)較差。 本次我們將以由燃油車改裝的電動汽車為研究對象，結(jié)合電動車使用的環(huán)境，主要對以下幾方面進行深入研究：整車底盤、電池箱的布置、操縱穩(wěn)定性、底盤剛度。 隨著電動汽車的展開，能源電池包作為純電動汽車的中心部件，電池包的安全性逐步凸顯顯現(xiàn)，影響到整車 的安全性。因此就對電池箱體的強度 、剛度、散熱、防水、絕緣等設(shè)計要求更高，所以電池箱體的設(shè)計就需要既考慮安全性，又要考慮空間權(quán)限以及對整車性能的影響。 目前，我國乃至世界的電動車之所以不能大規(guī)模的使用都是因為電動汽車?yán)m(xù)航能力差，其主要原因是電池容量小，電池容量大小與電池箱結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，所以針對此問題，我們展開對電動汽車電池箱的設(shè)計與分析，在保證安全系數(shù)的情況下，可以得到一個較為優(yōu)秀的電池箱。 本文研究內(nèi)容 此次研究我們將選用通過燃油車改裝而成的電動汽車為研究對象，就對電動汽車動力電池總成對整車的操縱穩(wěn)定性和其對底盤剛對的影響重點研究，在以上面方面上，我們對動力電池箱總成布置進行合理優(yōu)化，具體如下 [5]： ①合理布置電動汽車底盤， 如圖 示 我們從多角度出發(fā)，就汽車底盤對整車整體參數(shù)與整車性能的影響，最終確定汽車底盤的布置方案，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，對整車進行調(diào)節(jié)，合理布置電池箱機構(gòu)，調(diào)節(jié)整車性能，并計算出整車參數(shù)的變化。 2 ②動力電池箱總成布置位置優(yōu)化，我們采用試驗優(yōu)化的策略，對整車進行試驗數(shù)據(jù)采集，根據(jù)底盤確 定可布置電池箱的布置范圍，并就汽車穩(wěn)定性的前提下，優(yōu)化電池箱布置的位置 ，如圖 電動汽車蓄電池箱的國內(nèi)外現(xiàn)狀 最近這些年以來，隨著科技革命的不斷進步與發(fā)現(xiàn)，電動汽車的未來也取得了可肯定的卓著成就。汽車電池不僅是當(dāng)前環(huán)保電動汽車的直接動力來源，并且也對純電動汽車的機械功能也有著一定的影響。電池箱與整個車主體的安全級別也有著直接關(guān)系的，而作為電池載體的電池箱，對電池的防護和安全有著很大的重要作用，電池箱體的革命設(shè)計，要考慮多數(shù)的影響因素原因。特別是電動汽車轎車，車體空間較小，所以要在更小的環(huán)境中 安裝可存較多電量的電池組，并且必須與整車相協(xié)調(diào)，因此，電池箱體的設(shè)計有很高的難度，也是很重要很關(guān)鍵的一步。 從現(xiàn)在的情況看，動力電池被安裝在純電動小型汽車上，是汽車新有的動力來源，影響著電動驅(qū)動力的汽車整車性能。電池箱的設(shè)計很重要，它的安全性對純電動汽車的安危有著很大的關(guān)系；要與純電動小型汽車完美匹配。張曉紅與其他人對純電動車的電池箱體進行深深的研究，將碳纖維使用于純電動電池箱體從而實現(xiàn)自身較輕的目的，而且采用了有限元仿真法對純電動電池箱的功能進行了剛度解析，仿真計算結(jié)果說明：使用了碳纖維的純電動電池箱體的 機械性能滿足設(shè)計的必要要求。楊書建解析了純電動汽車在比較不平坦平面上進行大急轉(zhuǎn)彎和緊急剎車時純電動汽車電池箱的受力分析狀況，得到電池箱體的模態(tài)和定頻；在此情況下，使用 的優(yōu)化模塊對純電動汽車電池箱體的上蓋蓋和底板的加強筋樣子和分寸進行了優(yōu)化，對優(yōu)化設(shè)計前后純電動汽車電池箱的動靜態(tài)進行分析從而確定純電動汽車電池箱體的優(yōu)化模塊、吳宏等人對幾種特殊的純電動汽車電池箱體通風(fēng)冷卻情況進行了研討，分析結(jié)果說明：正通風(fēng)并改裝風(fēng)檔板的純電動車電池箱體冷卻結(jié)構(gòu)最為合理，電池組的工作環(huán)境溫度也在可控范圍內(nèi)，并且溫度分布平衡，能滿足工作實際中的使用需要。桑林等人設(shè)計了某個純電動汽車的動力電池箱體有限元仿真模型，研討了電池箱體在車輛結(jié)構(gòu)或路面不平的狀態(tài)下的力學(xué)情況、自由和約束模態(tài)以及激勵的頻率響應(yīng)情況，并實行了實驗肯定。丁麗萍等人采用所開發(fā)的電動客車動力電池箱體的支架在不同工作情況下的強度進行了計算解析，并通過了電動客車的實際工作情況驗證了計算的肯定性，為相關(guān)純電動汽車的電池箱的優(yōu)化提供了一定的想法。 3 圖 電動汽車電池箱分布 圖 池箱體三維 4 圖 池箱體 5 2 電動汽車底盤布置方案 言 動力電池箱總成是指包括電池箱、電池組以及電池箱與底盤連接的安裝機構(gòu)，它是電動汽車的整車動力能源的提供者。一般動力電池箱結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較大，占整車比重較大，因此對動力電池箱總成的布置需要綜合考慮。目前，考慮到開發(fā)成本原因，對電動汽車的開發(fā)一般是基于傳統(tǒng)燃油汽車進行電器化改裝而成。 所以再依據(jù) 據(jù)整車性能要求 肯 定各零件選 用之 后， 重新 對 此 車的底盤結(jié)構(gòu) 分析 布置。本章主要對整車的底盤布置方案進行分析，根據(jù)整車性能要求對動力電池箱結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并對布置后整車參數(shù)變化進行分析。 動汽車整車性能要求及技術(shù)路線 動汽車性能要求 本文的研究對象為由傳統(tǒng)燃油車進行改裝而成的一種適合底盤換電的純電動汽車，采用底盤換電的方式可以很好的解決電動汽車因電池能量低而導(dǎo)致的續(xù)駛里程低的問題，這是在電動汽車電池問題不能得到很好的解決之前一個很好的過渡方案。新開發(fā)的電動汽車開發(fā)目標(biāo)主要是行駛在城市工況的道路中，用作公用車或者城市出租車輛，以減少傳統(tǒng)汽車對城市環(huán)境的污染 。 針對本款換電純電動汽車的總體設(shè)計思路是，在保留原傳統(tǒng)燃油汽車行駛系的基礎(chǔ)上，選用車載且適合換電的動力電池箱、驅(qū)動電機驅(qū)動車輛行駛，盡可能少的對原車結(jié)構(gòu)進行改動，根據(jù)本換電電動汽車的主要行駛工況，其性能要求如下表所示： 電動汽車動力性能要求 術(shù)方案 本 小節(jié) 研究內(nèi)容 是 動力 純電動汽車 電池箱 體 對 電動 車操縱穩(wěn)定性、 電動 車 的 底盤動態(tài)剛度的影響 與 優(yōu)化主要 使用如 下方案： ①確定電動汽車底盤布置方案，根據(jù)電動汽車行駛性能設(shè)計電池箱結(jié)構(gòu)，根據(jù)底盤布置計算整車結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化。 最高車速（ km/h） 最大爬坡度（ °） 續(xù)使里程（ 0速時間（ s） 整車整備質(zhì)量（ 115 20 160 20 1800 6 ②建立整車動力學(xué)模型，對電動汽車改裝前后操縱穩(wěn)定性進行分析對比，并基于動力電池箱總成布置位置進行操縱穩(wěn)定性優(yōu)化。 ③就動力電池箱總成對整車底盤動態(tài)剛度的影響，在動力電池箱連接點數(shù)量與其整體位置的基礎(chǔ)上，對整體的影響上進行了優(yōu)化。 輛操縱穩(wěn)定性影響因素分析 裝電動汽車結(jié)構(gòu)因素的改變 對于由傳統(tǒng)汽車改裝成電動汽車，一般是為了充分的利用于原來汽車的車身、底盤結(jié)構(gòu)，盡量少做改動，以減少電動汽車的研發(fā)成本，只是對整車的動力系統(tǒng)進行設(shè)計，例如拆除原發(fā)動機總成及相應(yīng)的附件、油箱等而代替的是驅(qū)動電機總成及附件、電機控制器、動力電池箱等相應(yīng)的電力控制件。但是一般情況下新加件總質(zhì)量要超過原車質(zhì)量很多，特別是動力電池箱的質(zhì)量能到達整車質(zhì)量的 20%這就導(dǎo)致重新布置時會對整車的質(zhì)量分布發(fā)生改變，從而影響到整車的性能。 ①整車總質(zhì)量的改變，由于改裝過程中要拆掉一些零件，又要增加一些零件，將會導(dǎo)致整車 總質(zhì)量發(fā)生改變。 ?? ??? q jp io r ig n a lr e tr o f 21 1 （ 2 式中 ii 1、_____分別為要拆除、增加部件質(zhì)量（ ②整車質(zhì)心位置的改變，包括縱向位置的改變，及豎直方向的改變，整車質(zhì)心位置計算方法見式： ?x m )( （ 2-2）n 1 )(（ 2中 x—— 質(zhì)心至前軸距離（ ; z—— 質(zhì)心至地面距離（ m—— 整車質(zhì)量（ 7 各總成質(zhì)量（ n—— 整車中總成的個數(shù)； 總成質(zhì)心到前軸的距離（ 總成質(zhì)心到地平面的距離（ ③整車?yán)@質(zhì)心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動慣量的改變，由于整車質(zhì)量分布發(fā)生了變化，進而決定了整車?yán)@質(zhì)心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生了改變。 ?? N 2 )( （ 2 構(gòu)因素對操縱穩(wěn)定性影響分析初探 汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向響應(yīng)是評價汽車操縱穩(wěn)定性好壞的一個最為基本但也最重要的指標(biāo)，因此整車底盤布置要符合整車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。 由二自由度車輛模型推導(dǎo)出的車輛動力學(xué)得到整車的動力學(xué)方程為： 1)()()(1)(???????????????????（ 2中 21 —— 前后輪胎的側(cè)偏剛度（ N/ ??、 —— 分別為橫擺角速度、橫擺角加速度； a、 b—— 分別為質(zhì)心到前、后軸的距離（ U、 — 分別為前進速度、側(cè)向加速度； M—— 整車總質(zhì)量（ — 整車?yán)@質(zhì)心 z 軸的轉(zhuǎn)動慣量（ 2m ） ? —— 質(zhì)心側(cè)偏角，； ? —— 方向盤轉(zhuǎn)角（ 橫擺角速度增益為： 8 221221/)(1/???）（ ??（ 2中， )(122 ? （ 2 K 是穩(wěn)態(tài)響應(yīng)評價的一個重要指標(biāo)，稱作穩(wěn)定性因數(shù)，它的值具有如上式所示規(guī)律。 K>0，不足轉(zhuǎn)向，車速 u↑，轉(zhuǎn)向半徑 R↑； K=0，中性轉(zhuǎn)向，車速 u↑，轉(zhuǎn)向半徑 R 不變； k<0，過度轉(zhuǎn)向 , 車速 u↑，轉(zhuǎn)向半徑 R↓。 汽車應(yīng)該避免具有過多轉(zhuǎn)向特征，由上式可知，當(dāng)為過度轉(zhuǎn)向時， k<0，隨著汽車速度的增大，轉(zhuǎn)向半徑將會減小，將導(dǎo)致橫擺角速度的增益增大，這意味著一個較小的轉(zhuǎn)角定會引起一個較大的橫擺角速度，隨著車速的不斷增大，這將引起汽車激轉(zhuǎn)側(cè)滑或者側(cè)翻，是十分危險的，因此一般情況下，具有適度的不足轉(zhuǎn)向性質(zhì)是一個車輛穩(wěn)態(tài)性能較好的標(biāo)志。由上述式子分析可知： ①整車的縱向質(zhì)心位置將會影響 a、 b 的值，進而影響 k 值，在電動汽車改裝過程中要特別注意質(zhì)心位置的縱向調(diào)節(jié)，如果設(shè)計不妥當(dāng)可能會使汽車不足轉(zhuǎn)向變成過多轉(zhuǎn)向，應(yīng)值得注意。 ②由于整車質(zhì)量增大、質(zhì)心位置改變，最終將會導(dǎo)致整車前后軸荷的變化，而根 據(jù)輪胎側(cè)偏特性，輪胎的側(cè)偏剛度是與輪胎上的垂直載荷有關(guān)的，不是一成不變的，因此a、 b、 m 的變化會導(dǎo)致 21 的變化。 ③由上分析可知，二自由度沒有考慮懸架的影響，其實懸架對整車影響很大，包括側(cè)傾轉(zhuǎn)向、變形轉(zhuǎn)向，進而影響到整個輪胎的側(cè)偏角；由于整車質(zhì)心豎直方向上的改變，在高速轉(zhuǎn)向時，由于懸架的作用，整車將會產(chǎn)生側(cè)傾，使得側(cè)傾力矩發(fā)生變化，進而影響到側(cè)傾角；當(dāng)汽車在轉(zhuǎn)向時，汽車由于懸架的影響，整車的質(zhì)心隨質(zhì)量的轉(zhuǎn)移也發(fā)生著變化，使得在垂直載荷上和左右輪上載荷上都重新分配，從而 影響到了輪胎的側(cè)偏特性。 9 盤布置方案設(shè)計 由上節(jié)分析內(nèi)容可知，電動汽車改裝之后整車結(jié)構(gòu)性參數(shù)會發(fā)生變化， 如圖 些變化影響整車的操縱穩(wěn)定性，因此對于整車新增加件的布置使得整車載荷分布合理。同時在改裝時還要參考一些原則，對原車結(jié)構(gòu)要盡可能少做改變，確保動力電池箱的安全性，而且動力電池箱要方便拆卸及維修。結(jié)合原車的結(jié)構(gòu)特點，綜合考慮，該款電動汽車底盤布置采用如下所示的方案，繼續(xù)采用前置前驅(qū)的驅(qū)動形式，把驅(qū)動電機、變速箱、差速器等驅(qū)動部分繼續(xù)布置在前艙下部；充分利用排除發(fā)動機的空間，在前艙上部布置驅(qū)動控制器、整車控制器、高壓盒等整車電器件 [7]。對于動力電池箱總成的布置，結(jié)合整車載荷分布及換電的方便性布置在底盤下方，動力 電池包通過連接機構(gòu)對稱于整車的縱軸布置，通過四個左右對稱連接機構(gòu)與車架縱梁連接，以使得動力電池箱與車身固連在汽車底盤正下方，并對車架的連接電池位置進行結(jié)構(gòu)加強，以保證結(jié)構(gòu)強度，同時要充分利用車架縱梁的結(jié)構(gòu)特點，盡量使動力電池箱布置在兩邊縱梁的跨度內(nèi) [8]。這種布置形式合理的分配了動力電池箱總成的整體質(zhì)量，使整車質(zhì)心位置在左右方向不變，以提高汽車的穩(wěn)定性；這種布置使電池包布置在底盤下方遠(yuǎn)離乘客區(qū)，而底盤下是一個低概率碰撞區(qū)域，這大大提高了乘員的安全性，同時這種底盤布置，大大方便了換電，利于實現(xiàn)換電自動化 ，如圖 a 整體視圖 b 電池示意圖 圖 盤布置方案示意 10 圖 盤布置三維 圖 車部件 11 圖 型電動車示意 圖 型電動汽車整車結(jié)構(gòu)圖 12 章小結(jié) 本章主要對整車的底盤布置方案進行分析，根據(jù)整車性能要求對動力電池箱結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并對布置后整車參數(shù)變化進行分析。 本章研究的主要是純電動汽車對安裝電池箱的整車性能及技術(shù)路線，技術(shù)方案的研究與提升，在不斷分析優(yōu)化的情況下，采用了文中三大方案。分析了車輛操縱穩(wěn)定性的影響因素，改變了電動汽車結(jié)構(gòu)及達到優(yōu)化操縱穩(wěn)定性，通過以上分析總結(jié)，初步建立底盤設(shè)計方案。 13 3 電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計與初步分析 動汽車整車性能計算 ①我們依據(jù)電動汽車設(shè)計理論，根據(jù)電動汽車的性能要求，對整車的最大功率進行了計算，并由此計算出了電動汽車的最大驅(qū)動功率。汽車在行駛中所受的阻力如下： m ? ???????? 221s i nc （ 3中 行駛滾動阻力， 行駛空氣阻力， 221 ?； 行駛坡度阻力， 行駛加速阻力，?； 根據(jù)分布分析結(jié)果，根據(jù)電動汽車的各項參數(shù)，得到汽車在道路上行駛時的所需牽引力。 從而得到不同車速下汽車所需要的最低電動機功率為： m 221s i nc o s( ?? ???? （ 3算最大功率考慮兩個方面：一個是最大爬坡度，另一個是最高車速，分別計算選功率要求最大值。 思考分析到此車性能與安全的情況下，故決定把此車最大的工作功率定為 ： 0 。 ②整車電池容量的計算，電動汽車能耗估計。 m ?????? ?? 221 （ 3動汽車總電能： ??, 14 式中 ? —— 實際車輛能耗修正系數(shù)，一般為 M—— 車輛總質(zhì)量， S—— 行駛里程， ? —— 單位質(zhì)量能耗系數(shù)。 總能量為 池箱電池塊數(shù)設(shè)計： 021,（ 3中 N—— 總的電池單體數(shù)； 1n —— 電池單元數(shù)； 2n —— 每個單元電池塊數(shù)； q—— 每個電池單體的的電能容量（ 0u—— 單體電壓（ v）。 最終確定的電池組的總重量約為 300 力電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計 動力電池組需要裝在電池箱中以進行固定及防護，本文重在分析動力電池箱對整車性能的影響，因此需要對電池箱的總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計分析。 ①電池箱結(jié)構(gòu)要求，電池箱既要滿足電池組容量的體積要求，又要滿足底盤空間允許要求，縱向應(yīng)避免與前防傾桿及后扭轉(zhuǎn)梁懸架縱臂的干涉，寬度方向最好不要超過車架縱梁的寬度，以提高碰撞時電池的安全性，高度方向要保證電池箱的離地間隙，電池箱厚度不能太大；最基本的電池箱必須保證強度剛度要求；除此之外，電池箱內(nèi)部要設(shè)有散熱的結(jié)構(gòu)，且整體能夠保證鋰電池組防水防塵性及拆裝方便性 [9]。 ②電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計，本電池箱采用箱型邊框結(jié)構(gòu)，主要包括下箱體、支撐橫梁、上箱體、側(cè)位邊框等。 下箱體的設(shè)計：整個電池組的支撐固定件，需要有較大的強 度和剛度，因此在下箱體底部通過布置帽形橫梁，來提高其強度和剛度，同時在每一根橫梁上都開有散熱孔，以提高箱體內(nèi)部的空氣流通，使整箱溫度均衡，達到散熱目的，如下圖 示： 15 圖 箱體及支撐 側(cè)圍邊框設(shè)計：側(cè)圍邊框由縱向邊框和前后邊框圍成，兩者之間通過三面角板由螺栓固定連接，整個側(cè)圍邊框與下箱體采用四面搭邊焊接而成，如下圖 示： 圖 圍邊框 其中縱向邊框是整個電池箱的支撐構(gòu)件，要承受質(zhì)量較大電池組在極限工況下沖擊，因此其鋼板厚度要比其他部分加大，并在縱向邊框內(nèi)設(shè)有肋板以作結(jié)構(gòu)支撐。對于電池箱與整車的連接機構(gòu)這里用螺栓連接，根據(jù)電池箱的總重、大小和底盤的結(jié)構(gòu)，初步設(shè)計安裝位置在縱向邊框的兩端，左右對稱布置，并對縱向邊框與車體連接的部位，采用雙肋板結(jié)構(gòu)以做局部加強，如下圖 示： 16 圖 向邊框詳 上箱體的設(shè)計：上箱體不作為支撐部件，只起到防護及密封的作用，因此其應(yīng)該能夠完全包裹住電池組，同時要留有電源線接口，并在電源接口處設(shè)有支撐架，周 邊翻邊與側(cè)圍邊框采用電焊連接，如下 圖 示： 圖 箱體 圖 源接口支撐架 對于電池箱上下箱體之間與側(cè)圍邊框直接的縫隙全部用密封膠填充，實現(xiàn)整體密封。電池箱整體結(jié)構(gòu)如下圖所示，總體尺寸為 8612243零件厚度如下 表所示： 圖 圖 動力電池箱總體三維圖 17 電池箱各零件厚度 整個側(cè)圍框 上下殼體，橫梁 電源接口支撐架 厚度 2 1 2 圖 18 19 圖 電動汽車要行駛在不同的工況路面，因此必須對電池箱的承受靜態(tài)載荷能力進行評估，電動汽車的行駛工況非常多，這里僅選用幾個典型的極限工況來對電池箱結(jié)構(gòu)進行分析，參考汽車車身靜態(tài)強度分析方法，即考慮行駛在顛簸路面、轉(zhuǎn)向時、制動時，電池組對電池箱的沖擊載荷的影響，分別取沖擊加速度為 2g、 1g。這里選擇疊加工況顛簸急轉(zhuǎn)向、顛簸急制動極限工況分別進行分析。 ①電池箱 體的 有限元模型建 設(shè) ，在軟件 電池箱 體 的模 具 ： 要 先對分析 計算 影響不大的電池箱 體 一些零件 模型結(jié)構(gòu) 進行簡化， 再 導(dǎo)入 抽取 截面 ， 區(qū)分 高質(zhì)量 互聯(lián)網(wǎng) 。處理哥構(gòu)件的連接：電焊采用 于螺栓連接剛度較大且不易變形，常用 池箱有限元模型如下圖。用 側(cè)向力及縱向力以均布力的形式加在下箱體側(cè)圍對應(yīng)的節(jié)點上，如下圖 所示。 20 圖 右急轉(zhuǎn)載荷 左急轉(zhuǎn)載荷 圖 ②典型工況下的靜態(tài)分析，約束處理為約束電池箱與車體連接的螺栓周圍的節(jié)點所有自由度，提交 到兩種極限工況下的應(yīng)力云圖 圖 21 圖 由應(yīng)力云圖 1可知，對于顛簸急轉(zhuǎn)向工況，應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在連接機構(gòu)約束位置處，最大應(yīng)力為 應(yīng)力云圖 2可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下箱體的前圍與下箱體底部的連接處，最大為 者都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沖擊鋼板材料的 170以 ， 這個 電池箱的 模塊可以抗住 汽車的極限工 作情 況。 為了探討電動汽車基于原車結(jié)構(gòu)因素改裝而成的整車操縱穩(wěn)定性能的變化，這里研究整車參數(shù)變化。 ①原型車整車參數(shù)，該款原型車為一商務(wù)型車，主要用于城市內(nèi)較好的路況的乘用車。行駛驅(qū)動形式為前置前驅(qū)，前 后懸架均采用獨立懸架結(jié)構(gòu)，前懸架為麥弗遜式獨立懸架，后懸架采用縱臂扭轉(zhuǎn)梁式半獨立懸架，轉(zhuǎn)向系為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向，前盤后鼓式制動器，為了提高整車的舒適性，前懸架處有副車架、防傾桿，其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)如下表 [12]： 原傳統(tǒng)車參數(shù) 參數(shù) 指標(biāo) 外形尺寸長 *寬 *高（ 4420*1695*1825 軸距 （ 2695 前 /后軸輪距（ 1470/1475 最大總質(zhì)量（ 2040 整車質(zhì)量（ 1480 最高車速（ km/h） 145 最大功率（ 75 最大扭矩（ 135 22 根據(jù)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)信息，各總成質(zhì)心位置、質(zhì)量參數(shù)、慣量參數(shù)，在 為后面要對改裝整車的操縱穩(wěn)定性進行分析，需要汽車底盤的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，底盤包括車架、前副車架、前后懸架、轉(zhuǎn)向系、驅(qū)動前軸、四輪等重要結(jié)構(gòu)，因此在整車建模時按實際整車的質(zhì)量信息賦予模型，而像整車車身、發(fā)動機總成、變速器總成、前艙附件、油箱等在動力學(xué)建模時都可以當(dāng)成剛體處理，這里只建立了大體的結(jié)構(gòu)形式，賦予質(zhì)量慣量信息，沒有考慮具體形式，其整車模型如圖 圖 ②電動汽車整車參數(shù)，根 據(jù)布置方案，計算整車質(zhì)量變化，進行整車模型的調(diào)整，在 行整車裝配得到新的底盤如下 圖 圖 ③改裝前后整車參數(shù)對比，通過計算調(diào)整模型來計算改裝的電動汽車相對于原傳統(tǒng)車整車參數(shù)對比如下表所示。由表對比可知，改裝后，整車質(zhì)量增加 300車質(zhì)心23 位置后移，且整車質(zhì)心高度下降。 依據(jù) 前面的 計算 可 得標(biāo)的 車質(zhì)量、 標(biāo)的 車質(zhì)心縱向位置、 標(biāo)的 車高度等都是影響整車性能的因素 。 改裝前后的整車參數(shù)變化 名稱 車裝備質(zhì)量 1480 1782 整車最大質(zhì)量 2040 2202 空載整車質(zhì)心位置 （ 1212， 0， 405） （ 1319， 0， 滿載整車質(zhì)心位置 （ 1400， 0， （ 1428， 0， 290） 空載前后軸荷比 58/42 51/49 滿載前后軸荷比 48/52 45/55 在整車還沒有完全開發(fā)出來時，通過 以提前對結(jié)構(gòu)的強度剛度、整車性能進行分析，找出薄弱位置，優(yōu)化整車性能。本文主要借助多體動力學(xué)專業(yè)軟件 車性能變化，以及基于有限元軟件進行底盤動態(tài)剛度的分析及優(yōu)化。 我們依據(jù)電動汽車設(shè)計理論，根據(jù)電動汽車的性能要求，分析參數(shù)得到電動汽車電池箱設(shè)計數(shù)據(jù)。 電池箱設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足電池組容量的體積要求，又要滿足底盤空間允許要求，汽車碰撞安全性等要求，利用三維繪圖軟件設(shè)計繪畫下箱體 、 支撐橫梁 、 上箱體 、側(cè)位邊框等三維圖紙然后給予動力電池箱靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析（應(yīng)力分析）使電池箱達到安全性標(biāo)準(zhǔn)，確定材料的使用及框架的合理性等。 24 4總結(jié) 與展望 展望 全文我們介紹本文的研究路線，對電動汽車改裝后的整車參數(shù)改變進行了分析，并基于車輛動力學(xué)理論的二自由度模型。闡述了改變參數(shù)對操縱穩(wěn)定性的影響，基于此對電動汽車的底盤布置方案進行了分析?；谛阅芤蠛碗姵叵湓O(shè)計要求設(shè)計了動力電池箱的結(jié)構(gòu)，并對電池箱外結(jié)構(gòu)進行了顛簸急轉(zhuǎn)和顛簸急剎車典型極限工況的靜態(tài)性能計算，驗證了多設(shè)計的電池箱結(jié)構(gòu)的強度和剛度，通過建立整車數(shù)模，獲得了整車結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變。 在當(dāng)今社會，汽車已經(jīng)和每個人的生活息息相關(guān)，也是國內(nèi)外科技實力競爭的一個關(guān)鍵點。未來新能源汽車的發(fā)展趨勢將向下 一個 發(fā)展方向發(fā)展 ，現(xiàn)如今數(shù)電力能源最為環(huán)保，所以，電池箱的設(shè)計挺重要的，未來時間，電池箱設(shè)計會有比較大的發(fā)展空間。 25 參 考 文 獻 [1] 劉劍，谷中麗，戴旭文 蓄電池的發(fā)展與應(yīng)用 2002年第 2期 2] 康龍暈 . 新能源汽車與電力電子技術(shù) [M]械工業(yè)出版社， 3] 劉忠其 . 電動汽車用電池管理系統(tǒng)平臺設(shè)計 [D]. 北京交通大學(xué)碩士淪 文 ， 2010. 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