快换电池箱及其锁止机构的设计与仿真分析.doc

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1、快换电池箱及其锁止机构的设计与仿真分析本文就纯电动商用车快换电池箱的设计原则及组成进行阐述，对锁止机构在换电过程中出现的问题借助SolidWorksSimulation进行分析，找出锁止机构损坏的原因并进行分析验证，并对该锁止机构改进方案进行有限元分析。一、引言近年来随着国内汽车工业的飞速发展，中国的石油对外依存度逐年增长，在能源和坏境领域血临着最为严峻的挑战。曲对I木I难的局曲，国家相继将新能源和新能源汽车列入战略性新兴产业加以重点扶持，电动汽车将进入快速发展时期，预计到2015年中国电动汽车保有量将超过50万辆。动力电池，作为动力来源无疑是电动汽车最根本的构成元

2、索，也是影响电动汽车发展的关键因素。为推动电动汽车产业的发展，解决电动汽车续航能力、充电时间、电池不完全成熟的矛盾，国家电网公司提出了“换电为主、插充为辅”的发展战略，为实现该目标，国网公司要大力推动电池组的标准化，以标准电池箱的型式提供给客户使用，未来国家电网公司将成为最大的动力电池采购商，到2015年平均每年大约有40亿元的电池购置计划。电池箱锁止机构是为了保证车辆运行安全及满足电池箱通过换电机器人全自动快速更换的要求，本文对锁止机构在换电过程中出现的问题借助有限元软件进行分析，找岀锁止机构损坏的原因，并对该锁止机构改进方案进行有限元分析。SolidWorks的

3、设计仿真功能可以在锁止机构的优化设计中发挥重要作用。二、快换电池箱性能要求及基本结构快换电池箱是电动汽车动力蓄电池系统的承载装置，包括装载蓄电池模组的抽出式电池箱体及锁定电池箱体的托架。抽出式电池箱体通过托架装载到电动汽车或充电架上，采用电池箱更换设备可以实现电池箱在电动汽车与充电架之间的快速更换，适用于侧向换电的城市公交及城际客车。1•性能要求快换电池箱整体性能方面：需要备防火、防水、防尘、防震、动力可靠传输和绝缘安全防护等；结构方面：要求结构简单、操作方便、使用安全，同时具备机械锁止机构，保证电池箱在车辆振动和频繁装卸的环境下长期可靠使用；电连接方面：快换电池箱

4、的连接器要求采用强电与弱电分离的结构，具备承受外部载荷的浮动机械结构，确保使用过程中电气连接安全可靠；车辆振动方面：需按照QC/T413-2002《汽车电气设备基木技术条件》的标准方法，对纯电动汽车快换电池箱进行振动试验，如表1所示。2.基本结构快换电池箱主要包括电池箱、电池托架两部分。其中电池箱体为抽出式结构，由若干单体电池、电池管理系统、箱体及相关电气附件等组成；电池箱托架固定在电动汽车上，由导向承载轮、框架及相关定位附件组成;电池箱连接器实现电池箱与托架Z间电气连接；推拉与锁止机构实现电池箱与托架之间推拉解锁与机械锁止，如图1与图2所示。三、快换电池箱推拉锁止

5、机构仿真分析与改进快换电池箱是通过推拉锁止机构固定于托架上，既耍满足车辆运行过程中承受复杂受力的振动要求即锁止安全性，又要满足换电机器人全口动对电池箱的频繁更换要求。因此作为快换电池箱系统矛盾的综合体，锁止机构的设计是快换电池箱系统关键问题之一。笔者公司设计的快换电池箱推拉锁止机构如图3所示，通过电动汽车实际运行表明，能满足车辆运行过程中锁止安全性的要求，又能满足换电机器人快速频繁更换的要求，但是现场发现该锁止机构连接片在机器人推拉电池箱过程中，存在锁止机构连接片断裂的现象，如图4所示，本文针该现象，通过有限元软件对锁止机构连接片进行仿真分析，为连接片进行设计改进提

6、供理论支持。1.锁止机构连接片承受载荷的边界条件在换电机器人对快换电池箱止常存取过程中，连接片受力为托架上承重轮对电池箱体的摩擦力，按大箱重量300kg计算，摩擦力f=300X10X(0.005-0.01)二150〜300(N),其中0.005-0.01为托架轴承滚轮的摩擦系数，取正常换电过程中连接片最大受力为300N状况下进行仿真分析。受换电机器人定位精度及车辆倾斜的影响，会存在非正常换电的情况,在该状况下连接片受力较大，按换电机器人最大拉力1000N全部作用在连接片的情况进行非正常换电过程中的仿真分析。锁止机构连接片材料为压铸铝合金材料，该连接片铝合金材料性能如

7、表2所示。2•仿真结果及分析(1)原结构的仿真分析。在SolidWorksSimulation中，对原结构分正常换电与非正常换电两种状况进行仿真分析，分析结果如下。状态一：正常换电情况下，原结构（端部开槽去料）受力300N,应力分析结果如图5所示。状态二：非止常换电情况下，原结构（端部开槽去料）受力lOOONo应力分析结果如图6所示，安全系数小于2的分布情况如图7所示，其中红色部分为安全系数小于2的部分。从以上分析结果表明，在正常换电过程中，连接片的结构设计满足正常换电时强度要求；在非正常换电过程中，连接片应力已超出材料的屈服极限，因此该连接片的结构设计不能满足