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[电池材料] 纯电动乘用车动力电池布置方案研究

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发表于 2015-7-8 10:20:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本文分析了动力电池在乘用车上布置的各种限制条件,并提出多种相应的电池布置方案,对各种布置方案的优缺点进行了比较,并对业界企业提出了相关的建议。
        随着以石油为代表的不可再生能源的逐渐消耗及各国对环境保护普遍重视,传统内燃机车辆的发展面临越来越大的挑战,日益严苛的排放及燃油消耗量法规逐渐挑战内燃机技术的极限。增压直喷、分层燃烧、断缸技术以及高压缩比等内燃机技术的发展使得内燃机的排放及燃油消耗大大降低。但据国内主要整车厂测算,要达到中国第四阶段油耗要求,仅靠内燃机技术的提高几乎是不可能实现的,必须要在自己的产品序列里增加纯电动或混合动力汽车的比例。世界范围内,近几年各汽车公司甚至业外企业纷纷开展纯电动汽车的研究,日产Leaf、特斯拉Model S和宝马i3等纯电动汽车已量产,并且赢得了相当的市场成功,其中特斯拉不同于传统汽车厂商的商业模式也成为业内外热议的话题,也为我们提供了电动车开发的新思路。
        纯电动汽车以其节能、环保、使用成本低等特点越来越受到人们的关注。由于其能量储存系统和驱动系统与传统汽车区别较大,在车身结构和整车布置方面需要较大的改变才能容纳电动车的专用零件。根据电动乘用车布置的实践经验,纯电动车的驱动模块、电动机管理等零件的体积累加总和远小于传统汽车发动机舱零件的体积总和,因此,除动力电池之外的电动车零件在现有车辆架构下完全可以布置。动力电池的布置则是纯电动乘用车总布置设计的最大难点,由于整车续航里程、加速性等要求,动力电池必须有足够的电量,相应的体积和重量也相当大,经测算,一辆续航里程160km的A0级纯电动车至少需要22kWh的电池容量,重量约270kg,体积约180L,大约相当于3个普通油箱的体积。可以说,动力电池的布置是衡量一辆电动车技术水平的重要指标。
       

纯电动乘用车动力电池布置方案研究

纯电动乘用车动力电池布置方案研究

        目前在用主流动力电池
        目前纯电动乘用车主流的动力电池为锂离子电池,其中又分为钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂,表1为目前市场主要纯电动乘用车动力电池对比。其中,钴酸锂和锰酸锂能量密度较高,但在强烈的碰撞下有起火风险,会对消费者的生命安全构成威胁,因而需要对电池的保护进行充分的认证,而磷酸铁锂碰撞中不容易产生爆炸,但是能量密度较前两种要略低,且单体电池的一致性较难控制,不利于电池组的统一管理。实际应用中具体采用何种方案有赖于厂家的电池布置及电池管理水平。
        传统乘用车架构下动力电池的布置
        1.传统架构下动力电池布置的主要限制条件
        (1)整车通过性及成员空间的要求
        整车通过性的主要限制因素有最小离地间隙、纵向通过角、离去角以及路沿石高度限制等;乘员内部空间的限制因素主要是高度方向的空间要求,如头部空间、腿部空间和坐高限制等(见图1)。
        (2)碰撞安全的要求
        虽然目前动力电池的安全性已经得到非常大的提高,但是剧烈碰撞时如果电池受到挤压仍然有起火风险,因此碰撞中电池保护至关重要,这需要对整车的承力结构进行重新设计,以保证在正碰、偏置碰、侧碰和柱碰等各种工况下电池不被挤压变形,这就需要针对不同的电池的布置形式,对下车体主要横梁、纵梁进行相应的设计。为保证电池包侧碰和柱碰中不受到挤压,左右两侧必须留出一定的溃缩空间。当电池包布置在防火墙之前或后轴之后时,前后方向也必须留出类似的溃缩空间。这些溃缩空间即构成了电池左右和前后方向的尺寸限制(见图2)。
       

纯电动乘用车动力电池布置方案研究

纯电动乘用车动力电池布置方案研究

        (3)电池分组尺寸的影响
        由于受电池技术水平及封装要求的限制,电池包不能以单体电池自由组合的形式任意排列,而是事先进行了分组。表2为某供应商的主要电池系列,这种限定的长宽高对总布置是非常不利的,不能够充分利用有限的布置空间。如图3所示,某车型开发过程中,乘员的H点及坐姿由于内部空间的要求已经设定,电池的最小离地间隙也必须满足企业标准,这种情况下,乘员脚下区域电池厚度必须小于180mm,而该供应商电池的最小高度是165mm,加上水冷板、封装等结构,最低高度将大于200mm,于是该区域将无法放置这种电池,除非要求供应商开发特殊规格的电池,或抬高乘员H点高度,前一种成本太高,后一种则会抬高整车高度,对整车质量、空气动力学都是不利的。因此,供应商电池的分组尺寸对总布置的影响也非常大。
       

纯电动乘用车动力电池布置方案研究

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        2.传统架构汽车可利用的电池空间
        对于传统汽车企业而言,现有工厂流水线投资巨大,通常不会因为增加一款电动车而大规模改造现有生产线,因而要求新增加的电动车型能够在现有生产线上生产,这样就要求新设计的整车架构与原来传统车型有类似的组成形式,比如有完整的可承载的下车体、相似的底盘结构及装配方式。
        传统架构的乘用车基本都是承载式车身,车身是主要的承载和传力部件,因此在现有架构基础上开发纯电动车型必须尽量沿用现有的车身结构。这样,可供利用的电池布置位置如图4所示的区域。A为中央通道,B为前排乘客座椅下空间,C为后排座椅下空间(原油箱位置),D为后桥之后的地板下方,E为前舱区域。
       

纯电动乘用车动力电池布置方案研究

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        3.各区域布置优劣势分析
        A区域是传统的中央通道区域,通常布置排气管及后驱车的传动轴,由于纯电动车不需要排气管,通常也不需要中间传动轴,而中央通道通常宽约180mm, 如果按照表2所列电池布置,电芯最小宽度方向为165mm,加上电池封装及冷却系统宽度至少200mm,钣金与电池包之间还要留出10mm左右的安全间隙。这样,需要将中央通道最窄处加宽到220mm以上才能布置该系列电池。
        B区域为前排乘客座椅下空间,高度有限,对供应商电池分组有一定要求,可能需要特殊规格的电池,这会牺牲电池的能量密度并增加成本。
       

纯电动乘用车动力电池布置方案研究

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        C区域是传统车油箱的位置,全部可以利用,且比较规整,是传统架构上布置电池的首选区域。
        D区域通常为备胎坑的位置,该区域布置电池就需要改为小备胎,甚至取消备胎,这就必须要配置补胎器或使用缺气保用轮胎,而这都会增加整车成本。另外电池布置在该区域,会导致整车重心偏后,整车操控性能的调教会受到限制。
        E区域在电动车上通常布置电动机及其控制系统,如果电动机后置,该区域也可以布置电池,由于该区域碰撞中变形较大,因此尽量布置在远离车头,靠近防火墙的区域,并且经碰撞安全工程师确认。
        由于动力电池的封装要求及高压电传输的危险性,各区域电池单独封装再相互连通很难保证可靠性。所以可连通性也是布置方案选择的重要因素,这其中最好的是A、B、C区域,这三个区域的电池封装在一起是比较理想的方案——首先是容易封装在一起;其次是便于碰撞安全工程师统一设计合适的车身结构以保护电池;再次是整车轴荷分配较好,有利于整车操控的调校。日产Leaf、三菱i-Miev就是这种布置方式,如图5、图6所示。而C、D区域跨过后桥也可以较容易的实现联通,并且体积也足够容纳22kWh大小的电池包,这种方案的好处是可以在现有车型基础上仅仅更改后地板即可实现,整车主要的承载结构、传力路径基本不需大的调整,可以较小的代价开发纯电动车。雪佛兰Spark电动车即采用这种结构,如图7所示。
       

纯电动乘用车动力电池布置方案研究

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        全新纯电动乘用车架构下动力电池的布置
        1.传统架构下动力电池布置空间的局限性
        从上面的分析可知,传统架构下电池的布置可选择区域少,电池总容量受限,不能大幅度提高续航里程,传统架构下开发的纯电动车续航里程一般在200km以下,通常只能作为城市电动车,不适合长途旅行。
        2.全新架构下动力电池布置研究
        如果突破传统架构的限制,动力电池的布置将可能实现突破性的进步,这方面,特斯拉Model S和宝马i3为我们提供了全新的思路,即将底盘与电池包整体设计,电池包与底盘连为一体,成为底盘承载结构的一部分,而车身采用轻量化材质以降低整车重心,特斯拉是用铝合金车身,宝马i3是用碳纤维一体车身,如图8所示。
        这种结构型式的好处是:可以完全不考虑车身结构对电池布置的限制,车身变为非承载式车身,电池的碰撞保护结构与底盘承载结构统一设计,能为电池提供全方位的碰撞安全防护;电池形状可以设计的较为规整,便于内部电芯的布置及统一管理,便于实现电池的便捷化更换(特斯拉已经推出了快速更换电池的服务);电池包整体重心较低,即使车身设计的较高,整车重心也在较合理高度,有利于整车操纵稳定性。
        总结及建议
        根据以上对传统架构和全新架构下电池布置的限制条件,可选区域及优缺点的分析,对纯电动车的动力电池布置有如下建议:如果在现有车型上快速低成本的开发纯电动车,可以采用雪佛兰Spark的后置电池方案;如果在传统架构下开发全新的电动车,建议采用日产Leaf的中置布置方案;如果突破传统架构的束缚,专门针对纯电动车开发全新的架构,则宝马i3是一种非常合理的解决方案,但也应该看到,宝马的解决方案是以耗费巨资开发,整车成本较高为代价的,并且需要建造与之匹配的全新生产线,并不适用于所有的汽车企业。对于目前主流的200km续航里程的电动车,日产Leaf的解决方案是推荐的方案,并且随着电池能量密度的提高,这种结构下整车续航里程提高到500km以上也是可以预见的。
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