纯电动汽车动力电池箱总成布置分析及优化

张 军

（江阴职业技术学院，江苏 江阴 214005）

随着科学发展观的不断深入推进，我国绿色新能源的引用也愈加的广泛，作为日渐重要的出行工具—汽车，其绿色能源的引用被不断重视和研究。在广大技术科研人员的努力和研究下，电动汽车得到了不断的发展，从当前的成果来看，混合动力电动车的技术已经较为成熟，相应的车型也投入了使用，但纯电动汽车的发展却始终无法大规模推广和运用，这主要是由于相关技术不成熟，这其中电池箱的总成布置是一个重要的方面。

1 纯电动汽车发展及研究现状

纯电动汽车是完全使用电力作为动力的机动车，具有低排放、零污染、低噪声等优点，同时能源来源广泛且使用率较高，但同时也存在着能量不足，行驶里程有限的缺陷。纯电动汽车早在一百年前就已经出现，但受限于电池技术，一直没有得到大的突破，相应的发展也较为缓慢，但随着能源的紧缺和环境污染的加重，各国政府纷纷将电动汽车作为重要的发展方向，并出台相关的扶持政策，如美国在2013年发布的电动汽车普及计划蓝图，预期在2022年实现电动汽车技术上的突破。

然而，在世界各国电动汽车研究发展如火如荼时，纯电动汽车的部分技术难题还是没有得到解决，特别是电池、驱动和整车轻量化等技术难题，这些问题一直制约着纯电动汽车的推广和使用。以电池技术为例，当前的技术续航里程在200～300公里之间，速度也受到了一定的限制，主要在于电池的大小和功率输出难以得到很好解决，使得当前纯电动汽车更多地运用于城市公共交通和近距离的使用当中，无法形成对当前内燃机动车的完全替代。

2 纯电动汽车的动力电池箱总成布置

纯电池汽车的推广和使用需要解决电池技术，作为电池技术的重要组成部分，电池箱的设计和布置就极为重要，这对汽车整车的各种性能都会有较大的影响。

（1）电池箱总成布置。电池箱的总成布置，不仅需要满足汽车动力的输出需求，也要确保汽车各个方面的性能。从当前的汽车动力性能来看，纯电动汽车在以下关键技术的表现需要达到如表1所示参数，为了达到这些技术参数，电池组动力需要经过相应的设计，据相关的公布数据来看，满足此参数的电池组质量应该在300kg。

表1 纯电动汽车的动力参数

从汽车的装配来看，汽车电池箱不仅需要保护汽车动力电池组的安全，对汽车整车的性能影响也要考虑在内。具体而言，电池箱的结构设计既要满足电池动力组固定、防水、防尘、散热等的需求，还需要考虑其大小、硬度、材料、接口和拆卸便捷性等各方面的问题，因此，对电池箱的设计，采取箱型边框式结构，主要由下箱体、支撑横梁、上箱体和侧围边框3个部分组成。①下箱体和支撑横梁作为电池动力组的支撑，材料要考虑其刚性和强度，在材料搭建上也要考虑加固的结构方式，同时，在防尘散热上也要考虑在内，增加散热孔，增加箱体内部空气流动，保持箱内温度平衡；②侧围边框是固定和防护电池动力组的关键，特别是纵向边框，需要承受极限情况下的力量冲击，因此，在材料和部件搭建上要着重考虑，通过加厚钢板和增加肋板结构的支撑，使侧围边框更加牢固可靠；③上箱体所需承受的动力电池组的力量不大，更多的是密封防护的作用，因此在设计上更多的是关注防护的功能，同时注意散热，另外在接口预留上也要合理设计，并通过支撑架对接口位置进行加固，确保电池动力组的稳固。在电池箱与整车的其他部件结合处，用密封胶密封，使电池箱与汽车其他部件紧密相连，整体的电池箱设计尺寸为：1800mm*1050mm*175mm。

（2）车辆总成布置对电池箱的放置影响。车辆的总成布置受很多结构及零部件的影响（如图1所示），从图1中可以发现，车身及副车架的性能是各个系统的相互总成形成，且各个系统有一定的关联。

图1 整车结构关系图

电池箱作为整车中质量较大的部件，其位置布置对车辆整体性能有较大的影响，从车辆的空间布置来看，电池箱智能置于底盘之上，在具体的位置摆放上，受到车辆其他总成系统部件的影响。①动力总成系统，动力总成与电池箱的位置关系在于动力的传送和消耗动力的情况，通常而言，电池箱越往前置，对于汽车的动力会越有利，但也存在前桥质量过大，整车前后质量不平衡的问题，最终又影响了动力系统的均衡稳定，影响整车行驶安全；②转向总成系统，具体表现为与前后胎的位置关系，电池箱位置的不同对车辆转向灵活性来讲具有较大的影响，具体而言是会影响到车辆轮胎的性能和行驶安全，但相关的模拟研究数据表明，电池箱对其影响有限，不会产生根本性的变化；③前悬总成和后悬总成也是受到车轮总成的影响，对于电池箱具体的位置而言，最大的问题在于如何确定合适的具体位置，保证车辆整体的平衡，使得整车能够平衡、稳定行驶，确保汽车性能的保持。对前悬总成而言，电池箱的放置对车轮外倾角、车轮前束角、主销后倾角、主销内倾角等方面都会产生一定的影响，但也还是能够支持电池箱的放置要求。

基于电池箱及电池动力组的质量，整车的质心位置相对燃油版汽车而言会发生一定的变化，具体而言，质心向后向下移动了，如表2所示。因此，对于纯电动汽车而言，电池箱的总成布置对汽车整体产生了较大的影响。

表2 车身系数

（3）电池箱总成布置对汽车的影响。电箱总成布置会影响汽车的多个方面，具体而言有以下3个方面：①对整车质量和车辆质心的影响。与传统的内燃动力车相比，纯电动汽车的质量受电池质量的影响，整车质量将更大，这对汽车动力系统会产生较大的影响，在电池质量占到汽车质量20%～30%的情况下，车辆的重心也会发生变化，这对于车辆的各个系统的部件位置也会产生一定的影响；②对汽车操纵稳定性会产生一定的影响。汽车的各个系统环节是相互关联、相互影响的，在电池箱加入汽车整体后，因质量的变化必然会导致车辆轮胎、底盘、各部件负荷的变化，这会使得车辆的操纵稳定性发生变化，会产生不同的驾驶体验；③对汽车各个总成系统的影响。汽车的零部件繁多，组成的系统也极其复杂，电池箱的变化不仅仅是其中一个零部件的变化，更有相关各种零件的更迭，如电路将变得更加重要和复杂，油路对汽车的影响就完全消失，这对于汽车的零部件而言，也是一次重新的重组和洗牌。

3 电池箱总成的优化

纯电动汽车动力电池箱的布置对整车影响最为深远的应为汽车操作稳定性，特别是汽车高速行驶时的操纵稳定性是电池箱布置优化急需重点考虑的问题。从前文的分析中，可以发现，电池动力组和电池箱的布置对汽车的质量、重心产生了较大的影响，相应地，影响操纵稳定性的因素也就是重心高度、前后位置和载荷。因此，基于操作稳定性进行电池箱总成的优化。

（1）汽车操纵稳定性的影响因素分析。纯电动汽车操纵稳定性受到3个因素的影响：①整车的重心高度降低，而这对汽车的操纵稳定性其实更为有利，操纵更为安全，车辆的舒适度也会有所增加，因此，电池箱置于下部从车辆操纵角度而言，更为合理；②重心的前后位置变化，重心的前移对于车辆加速、车辆的瞬态响应性能会有较大的提升，但也不能过于前置，否则容易引起车辆制动性能的不足，因此，适当的前置对于纯电动汽车的操纵稳定会有更好的表现；③车辆负荷，也就是车辆的质量，相关的试验数据表明，受当前技术的原因，整车质量的小幅度降低对车辆操纵稳定的影响并不太大，因此，对其考虑可暂时忽略。

（2）电池箱总成优化。①对于纯电动汽车的电池质量和组别应以满足车辆性能需求为主。电池是车辆的动力所在，也是纯电动汽车存在的根本，因此，对于电池箱总成而言，首先必须确保能够满足汽车的性能，在此基础上进行其他性能的调整和优化。因此，电池箱的尺寸设计为：1800mm*1050mm*175 mm，质量300kg，电池箱有固定和保护的下箱体、支撑横梁、上箱体和侧围边框四个部分组成，选材优先考虑刚性和硬度；②针对性的精确电池箱放置位置。电池箱的布置影响整车质心的上下、前后变化，因此，对电池箱位置的布置大致方位可以确认在下方靠前位置，而最终精确位置的确定，需要结合车况性能进行准确的模拟分析，以确保纯电动汽车的操纵稳定性，让汽车性能更加适用；③优化与车辆底盘的连接。车辆底盘和与电池箱的连接也是电池箱总成的重要方面，相关研究表明，降低车辆底盘的侧向刚度和垂直弯度刚度，不一味地增加其刚度固化，能够优化纯电动汽车的电池箱总成；同时，在连接方面，也并不是越多的连接点越好，相反，通过四点连接，并对连接点进行四中配置，能够大大优化电池箱与车辆底盘的连接效果。

4 结语

考虑到纯电动汽车的开发、研究成本，现阶段的纯电动车研究大多基于现有车辆改装，因此，很多的技术参数是基于现有汽车数据而来，纯电动汽车的发展也是基于现有汽车技术之上而不断发展。在电池箱的总成布置分析中，对汽车工艺的各个环节有所优化，也相信在这一技术的推动促进下，能够为我国纯电动汽车技术发展提供一些思路。

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