摘要 - 电动汽车的发展是行业主流，本文重点关注车身结构改造以安置电池包。电池包是重要部件，位置影响车辆重心和驾驶性，一般置于乘客舱地板下方，此处有利于碰撞保护和维护。电池包与车身底部形成夹层结构，对车身刚度有益。同时还考虑电池包与固定障碍物侧面碰撞问题，通过模拟强调相关结构相互作用的重要性，并进行了工程分析展示了可能的解决方案。
1.简介
研究背景：目前主要的电动化解决方案包括HEV、PHEV和BEV，FCEV也被视为一种可能发展方向。电动动力系统有能源多样化和电机适合牵引等优势，BEV效率高于汽油内燃机汽车，且排放更低，但需考虑储能设备能量密度。同时要考虑车辆全生命周期排放，BEV电池制造排放影响较大，但总体生命周期排放仍低于内燃机汽车，电池回收可降低成本和排放，“电池二次利用”也是一种减少报废影响的方法。 BEV的主要关注点是电池包，锂离子电池是常用选择，但其能量密度不如燃料，存在重量增加、续航受限和充电时间长等问题。 电池包位置及相关结构设计：本文关注车身结构改造以安置电池包，电池包是大、重且昂贵的部件。其位置影响车辆重心和驾驶性，一般置于乘客舱地板下方，形成夹层结构，对车身刚度和车厢隔音有好处，也有利于侧面碰撞保护和维护。 相关研究回顾：已有很多文献研究电池包在碰撞时的安全问题，包括考虑正面和侧面碰撞，提出了如增加侧向冲击能量吸收器、优化电池包装设计、增强电池包结构、特定结构修改等方法，但都未强调电池包保护是电池包外壳与车身底部结构（主要是侧梁和地板）协同设计的结果。本文提出了相关建筑结构考虑并给出模拟结果，强调两者相互作用的重要性及协同设计的指导方针。2.BEV架构和主要结构设计解决方案
车身底部功能
结构功能：车身底部的强度和刚度对车辆动态及NVH性能至关重要。安全功能：车身底部要保护车内乘员，并在碰撞时吸收能量，对于BEV还要保护电池包避免火灾或爆炸。设计目标是轻质且刚度高的车架，同时车身静态刚度（弯曲和扭转）应尽可能高且质量低。在BEV侧碰中，车身侧结构和车门空间有限且电池包在底部，要求车身底部尽量不变形。 电池系统技术
电池技术概述：BEV电池系统复杂，包括电池芯、外壳、温控系统和BTMS。目前市场上有圆柱形、棱柱形和软包三种电池芯类型，它们在结构和能量容量上不同。 ![]()
图1.不同锂电池单元、不同外壳外形的比较（（a）——圆柱形；（b） ——砖；（c） --袋）和相关存储容量。
电池包外壳
结构稳定性：电池包要支持电池芯，与车身底部合理连接，保证NVH性能。 放置位置：应靠近地面，降低车辆重心，影响车辆包装和乘员人体工程学。 提高车身底部刚度：在新的HEV和BEV车身设计中，电池包与车身底部构成夹层结构以提高刚度。 碰撞保护：通过合适的碰撞吸收结构放置和保护电池包，避免电池壳变形及电池损坏。 热管理：电池芯需保持在25 - 35°C，对减少老化和延长使用寿命至关重要。 外部环境保护：提供对道路碎片和穿刺的保护，保证足够的离地间隙和包装屏蔽。 ![]()
图2.不锈钢电池组概念和典型构成元件。
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图3.特斯拉Model Y实施的解决方案中的电池组示例：（a）电池组的分解图；（b） ——下部外壳的分解图；（c） --编号的红色箭头表示紧固件位置。
电池包位置与集成
位置与成本：电池重量通常占车辆重量的四分之一以上，成本占车辆总成本的35%左右。其位置影响车辆重心和性能，如大众MEB平台电池包相比MQB平台有改进，降低成本并提高性能。 ![]()
图4.大众MQB平台（左）和大众MEB平台（右）的电池组比较。
集成设计：新车身底部设计基于滑板式架构，电池包与车身底部形成夹层结构，不同制造商有不同设计。对于商用车和大型车辆，电池包放置方式需调整。 ![]()
图5.特斯拉为将电池组集成到车身底部结构而获得专利的解决方案。
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图6.现代（a）和福特（b）的两种专用纯电动滑板架构示例[29]。
碰撞安全性和电池保护的设计方案
结构设计：车身侧面碰撞时，通过合理设计侧梁、立柱、地板横梁和车门结构保护乘客和电池包，重点是侧梁结构。不同制造商有不同设计，如特斯拉Model Y侧梁内部有加强结构。 ![]()
图7.特斯拉Y型摇杆的横截面，内部有多单元加强件（a）和左侧车身总成（b）
维护便利性：合理选择电池包固定件可使维护相对容易，部分车辆在后排座椅下方设置通往电池包后部的通道，方便维护电子控制单元。![]()
图8.捷豹I-pace车身底部和纯电动汽车平台的主要结构特征。
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图9.五种不同的解决方案：在BEV中实施多孔挤压嵌件（A-C）和冲压板加固结构（D，E），以提高侧面的能量吸收能力。
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图10.奥迪e-tron电池组的构成要素。
3.防撞设计方法
侧面碰撞问题的重要性：在BEV新架构设计阶段，被动安全尤其是侧面碰撞是一个具有挑战性的问题。侧面碰撞在道路事故数据分析中具有重要性，且对于BEV的电池包保护至关重要。 车身白色结构中可用于吸收侧面碰撞能量的空间很小，侧面碰撞测试包括车辆之间以及车辆与固定障碍物（如电线杆）的碰撞，后者更严重，因为电池包位于车底不能变形。 车身结构在侧面碰撞中的作用
主要结构：车身白色结构中，侧面碰撞时主要涉及车身底部甲板，B柱和车门结构也有一定能量吸收贡献。关键部件是侧梁（通常是薄壁封闭截面梁），以及由乘客舱地板和车身底部护板构成的夹层结构，部分电池包结构也可能有贡献。 ![]()
图11.（a） 低段纯电动汽车车身底部的简化通用模型。（b） 车身底部模型的分解图。
侧梁设计要求：BEV的侧梁应比普通车辆更坚固，通常采用在侧梁内部设置挤压型材的设计方案，其截面、材料和壁厚因车辆而异，需优化这些参数以实现良好设计。 ![]()
图12.简化车身底部模型上侧面柱碰撞的有限元结果：电池箱吸收的能量（a），地板和电池箱上的横向载荷（b）。
有限元模拟分析
模型建立：作者通过简化的有限元模型研究侧梁相关参数对碰撞性能的影响。模型基于BEV车身底部主要组件，采用简单双线性材料模型模拟钢/铝材料，通过基准分析确定材料参数，并根据市场上BEV车辆定义模型几何、质量和惯性等参数。 ![]()
图13.简化车身底部模型上杆侧碰撞的有限元结果：摇杆的侧向变形（a）和传递到电池壳的力（b）。
模拟结果
挤压型材几何形状影响：研究了三种不同侧梁解决方案，结果表明不同几何形状的挤压型材对电池包能量吸收有影响，合理设计可提高能量吸收能力。 挤压型材位置影响：位置对地板和电池包所受冲击侧向载荷有影响，较小的电池包受力意味着更好的解决方案。 挤压型材壁厚影响：壁厚过高会使结构过于僵硬，无法有效吸收能量，导致载荷直接传递给电池包造成损坏。 结构变化对动态行为的影响：BEV在侧面碰撞时的全局动态行为与传统内燃机汽车不同，由于下部纵向构件更坚固，车辆在纵向轴周围有更高的滚动旋转，上部结构（如B柱和车顶纵向梁）会参与碰撞。![]()
图14.在侧面柱碰撞期间评估了配备不同动力系统配置（ICEV和BEV）的同一辆车（KIA Soul）沿纵轴的最大旋转角度。
4.总结
电池包相关研究重点：关注车身结构改造以安置电池包，电池包是大、重且昂贵的部件，需进行定位、管理、温度控制、维护和保护。 电池包位置及相关结构优势：考虑电池包重量对车辆重心和驾驶性的影响，一般将电池外壳置于乘客舱地板下方，此位置在车辆前后左右碰撞时对电池包有保护作用，且便于维护。电池包外壳结构与车辆地板形成夹层结构，对车身扭转和弯曲刚度有好处。电池包侧面碰撞保护研究：特别关注电池包与其他车辆及固定障碍物（如电线杆）的侧面碰撞，考虑了三种侧梁强化方案，包括传统内部隔层以及两种在侧梁内部插入挤压型材的方案。简化模型的有限元分析结果表明这些强化方案有效，且强调了车辆侧面结构和电池外壳结构不同部分之间相互作用时壁厚选择的重要性。
