电动车快慢充电口盖机构设计

魏立，宋志尧，沈鑫兵

（200082 上海市 上海理工大学）

0 引言

面临环境污染和能源过度消耗等问题，汽车能耗问题备受关注，对汽车能耗要求也越来越高，有些国家甚至已经开始着手制定燃油车禁售时间表。电动汽车日益被整车企业所重视，也逐渐成为未来汽车的发展趋势之一。而电动电池作为电动汽车的能源供应者，在使用一段时间之后，需要充电来补给能量、为了满足消费者充电需求，配备快慢充电口必不可少。相比燃油车，纯电动汽车的持续续航里程相对会短一些，所以充电口在使用上会十分频繁，因此一款方便安全且稳定的充电口装置就显得极其重要，这也间接决定了消费者在购车时的决策以及在今后使用过程中的体验和评价。

本文根据某款电动车充电口盖的设计要求，通过充电口布置位置、充电口盖安装结构、外板形状、锁闭形式、材质等的选择和设计，并通过DMU 仿真检验了设计结果的可行性。为样车中的部分结构提供了合理的设计思路，从而完成对参考车型充电口总成的改进与设计。

1 充电口总成设计

充电为电动汽车必不可少的一项功能，合理地在汽车车身部位设计一个高效且便利的充电结构是实现充电功能的必要条件[1]。就充电口而言，合理的充电口座结构、合理的充电口布置都是保证汽车可以高效充电的前提，也是电动车开发过程中的重要环节之一。本文对某款电动车的充电口总成进行设计，首先列出了此型充电口总成的设计要求，主要分为技术要求和试验要求两部分[2]。其后根据此要求的条件，在合理范围内对充电口总成完成设计。

1.1 主要技术要求

（1）充电口盖总成是按主机厂确认批准的图样及技术开发协议，经制造厂质量检验部门检验合格的产品，并附有合格证。

（2）充电口盖总成表面无尖角、毛刺、裂纹、气泡、油漆流痕、表面翘曲等。

（3）充电口盖总成的间隙及面差满足造型设计要求，充电口盖关闭后，在行驶过程中不会自动开启。

（4）装配后盖板开启关闭活动自如。

1.2 试验要求

（1）拉伸强度按QC/T 15-1992《汽车塑料制品通用试验方法》，拉伸强度≥160 MPa。

（2）弯曲强度按GB/T 9341-2008《塑料弯曲性能的测定》，MP01-06A：≥20 MPa，MP01-09：≥26 MPa。

（3）弯曲性能 弯曲试验按GB/T 232-2010《金属材料 弯曲试验方法》。弯曲性能应符合GB/T 3880.2《一般工业用铝及铝合金板、带材第2 部分：力学性能》的规定。

（4）悬臂梁缺口冲击强度按 GB/T 1843-2008 《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》进行。MP01-06A：23 ℃时，≥40 kJ/m2；-30 ℃时，≥4 kJ/m2；MP01-09：23℃时，≥12 kJ/m2。

（5）漆膜附着性试验（喷漆件） 按GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》第7章的规定进行。

（6）光老化按 GB/T 16422.2-1999《塑料 实验室光源暴露试验方法 第2 部分：氙弧灯》的规定执行。要求无裂纹，无明显变色、退色现象，色牢度≥4 级。

（7）耐高温性能按 QC/T 15-1992 中5.1.4.1条款。试验后尺寸无明显变化，产品无变形、间隙、波纹，在安装部位没有松动或活动。外观无龟裂、剥离、溶胀、释出；颜色不应产生明显变色；光泽度不应产生明显损失（ΔL≤0.2）等现象。

（8）耐寒性能 按QC/T 15-1992 执行，将试样放置在-30±2 ℃恒温箱内至少4 h 后取出，立即按第6 条规定项目进行检查。试验后，不允许产生表面起泡、起皱、裂纹、分化，不允许产生严重变色、光泽严重损失等现象。尺寸变化≤0.05，变形不明显。

（9）冷热交变性能 按QC/T 15-1992 中5.1.4.4 条款。试验后试件表面无缺陷，如起泡、起皱、裂纹、脱落等。

（10）耐擦伤按 QC/T 15-1992 中5.9 条款，试验后符合QC/T 15-1992 相关要求。

（11）耐振动性按QC/T 15-1992 中5.6 条款。试验后无损伤、无裂纹、无异常。

（12）耐湿性能按QC/T15-1992 中5.4 规定，在45℃90%RH、96 h 后取出，用干燥的清洁布擦干，在标准环境下放置1 h。试验后，尺寸变化＜0.05%；外观不允许产生变形、粘手、起泡、起皱、裂纹、粉化等异常现象；不应产生明显变色；光泽度不应产生明显损失（ΔL≤0.2）等现象。

（13）耐冲击性按 QC/T 15-1992。制品表面及本体不允许发生破损现象。

（14）材料标记按 QC/T 797-2008《汽车塑料件、橡胶件和热塑性弹性体件的材料标识和标记》。产品要求标明其材料，标识清晰且不影响产品的使用功能。

（15）燃烧特性 GB 8410-2006《汽车内饰材料的燃烧特性》，≤100 mm/min。

（16）涂镀层和化学处理层按QC/T 625-2013《汽车用涂镀层和化学处理层》执行，满足标准中关于涂镀层和化学处理层技术要求。

2 主要参数确定

2.1 位置布置

目前法规暂时没有对电动车充电口布置位置提出明确要求，快充与慢充可以根据车辆自身特点与总布置要求来选择布置位置，快慢充可集中分布也可分开布置。在布置充电口位置时，主要需要考虑普通用户使用时的方便性和舒适度、避免布置在碰撞变形区内、当发生碰撞时高压安全问题[3]。而常见的布置形式有以下几种形式：

（1）布置在车辆正前端即前保处。此方案需考虑到充电机的位置布置以及高压线缆的走向布置，应保证充电机靠近充电接口，并在符合工作要求的前提下尽量减小高压线束的长度，从而减少成本[4]。

（2）布置在侧围，延用原加油口。这种情况一般分为两种，快慢充集中布置在原加油口处和快慢充对称分布于车身两侧。因侧围C 柱内部结构空间较小，若采用快慢充集中布置会占用C柱大部分空间，应保证零件的刚度，以及焊接的可操作性[5]。

（3）布置在前翼子板处。此布置方案可将充电机布置在机舱内，难点在于高压线束走向布置。应考虑插拔导致翼子板的变形，并保证充电口盒与翼子板的间隙[6]。

（4）布置在后行李箱盖处。因需布置充电机、冷却风道等，会占用一定容积，影响原备胎布置位置，此布置方案较为少见[7]。

鉴于参考车型充电孔位置布置不佳，存在以下缺点：

（1）充电线束太长且裸露在地板下方，不利于保护且成本高，欲对其充电系统重新布置，以达到最佳性价比。如图1 为参考车充电口位置，图2 为充电线束。

图2 充电线束Fig.2 Charging harness

（2）原充电口盖开启方式为上下旋转式，开启角度约为90°，在充电时人机舒适性很差。图3 为参考车充电口图示。

图3 参考车充电口Fig.3 Charging port of reference vehicle

根据存在的缺陷问题，将快充、慢充口位置调整至前机舱。调整后充电口位置如图4 所示。

图4 调整后充电口位置Fig.4 Charging port position after adjustment

对比更改后的充电口更加靠近充电电机，从而减少线束成本。且更改后的充电口放置于车头，用户进入和退出汽车都能明显发现，从而帮助提醒车主充电或拔掉充电枪。由于位置的改变，快慢充的线束也需要做出相应的调整。即将快充线束经过前防撞梁、散热器右立柱、右纵梁前段，从而与电池包相连接。慢充线束经过前防撞梁、散热器左立柱、左纵梁前段，从而与充电电机相连接，如图5、图6 所示。

图5 快充线束走向对比分析Fig.5 Comparative analysis of the direction of fast charging wire harness

图6 慢充线束走向对比分析Fig.6 Comparative analysis of the direction of slow charging wire harness

更改后的快慢充线束相对于原慢快充线束优势如下：

（1）更改后线束比原线束长度变短，从而达到节省成本的目的。

（2）更改后线束被前阻尼板阻隔在机舱内，与原车线束暴露地板下端相比，更利于线束保护。

（3）由于原车慢充线束是由室内走向室外，而新增线束沿着机舱横梁而走，所以比原车线束更方便安装。

更改后充电口位置可行性分析如图7 所示。很显然，新充电口布置角度及高度均满足人机舒适性要求。

图7 更改后充电口位置分析Fig.7 Analysis of charging port position after change

2.2 其他参数确定

上文中已经确定充电口的布置位，接下来则需要对其他参数进行设计。

（1）充电口盖材质

电动汽车尤其是纯电动，一次充满电后的行驶里程数有限，需频繁地充电，因此需要频繁地开闭充电口盖，由此可见保证充电口盖的可靠性尤为重要。目前，充电口盖按材质主要可分为金属、高分子材料和混合材料充电口盖3 类。为了提高金属材质的防腐性，常会选用镀锌钢板。而高分子材料，目前运用较为成熟的材料是聚邻苯二酰胺（PPA）材料，它的特性是热稳定性好，具有高强度和刚度，耐冲击[8]。混合材料充电口盖外板采用金属材料，内板采用高分子材料。本文方案是将充电口盖同时设计为车标，即可将充电口内外板配合为一体。车标采用ABS 材料，表面做镀铬处理[9]。充电口外板采用PP+EPDMTD20 材质，表面做喷漆处理。PP+EPDM-TD20具有耐高温、耐低温、绝缘性好、抗冲击性好、化学稳定性好的特性。充电口内板采用DC01 材质，为冷轧低碳钢板，强度高。

（2）充电口盖安装结构及其口座设计

采用整体式，充电口盖通过铰链安装在车身上，更为美观，安装精度更高，如图8 所示。充电口座通过螺接方式安装在汽车车身上，并在关键部位使用加强筋，同时还可以做翻边或者凸起等来增加其中支架的强度，如图9 所示。

图8 充电口盖安装方式Fig.8 Installation method of charging port cover

图9 充电口座Fig.9 Charging port seat

（3）铰链结构

铰链结构采用了四连杆机构的设计方案，如图10 所示。四连杆机构可传递较大的动力，易于制造，也容易保证制造后精度，对于远距离的传递可以方便实现，常用于动力机械[10]。

图10 铰链结构Fig.10 Hinge structure

（4）充电口盖闭锁形式

采用电磁阀式闭锁形式，如图11 所示。电磁阀式锁闭结构是一种通过电信号来控制开闭的结构，在使用上十分安全可靠，且操作简易方便，结构轻巧。以上则完成了充电口总成的设计。

图11 电磁阀式锁闭结构Fig.11 Solenoid-valve-type locking structure

3 充电口盖运动仿真分析

在电子样机模块中的DMU 运动机构是电子样机模块的关键组成部分，可以使用它对设计进行有效性评价。其模块中提供了丰富多样的分析测试手段，例如产品干涉检查、3D 尺寸比较、剖面分析、运动包络体积分析等功能，此外它也可进行碰撞、间隙及接触等计算，并得出更为详尽和精确的分析结果[2]。适用于从生活用品到各类机械产品的研发和设计，因此它的应用也十分广泛。DMU 运动分析是将所有零件视为刚体，不能对受力变形及振动等柔性变形进行分析。

为了保证充电口盖在使用过程中的安全性能，保证它与其他机构不会发生干涉以及安全问题，本章对充电口盖进一步进行了运动仿真的校核。这里依然使用CATIA 软件，运用的模块为电子样机模块中的DMU 运动机构。

3.1 运动仿真

对以上设计方案进行充电口盖开闭的运动仿真。

进入DMU 运动机构模块，新建机械装置，同时对充电口盖铰链处进行约束，然后对车标、充电口外盖板、充电口内盖板以及螺接的铰链建立刚性连接（如图12 所示），并对车身相连的铰链进行固定。其中定义旋转角度，选择“驱动角度”，并在“接合限制”中写入运动角度上下限0～135°。

图12 刚性连接Fig.12 Rigid connections

成功建立运动仿真后，通过滑动滑块即可观察充电口盖运动过程，如图13 所示。

图13 充电口盖运动仿真Fig.13 Simulation of charging cover movement

3.2 分析校核

最后对充电口盖运动过程中与各部件是否干涉进行校核。本章通过DMU 运动机构的仿真分析，验证了其各部分组件在运动时的合理性。

表1 分析校核Tab.1 Component analysis check

通过上述各项校核，该连杆机构及锁扣布置位置在运动过程中均无问题，可满足正常的开启关闭及快、慢充电枪的插拔使用。

4 结论

在技术要求和试验要求的基础上，本文对充电口不同的位置布置方案进行了优缺点的说明，并提出了改进措施以及布置中需要注意的要点。同时对充电口总成其他参数，包括材质选用、充电口盖安装结构、铰链结构、锁闭形式的选取方案提供了参考和说明。最终运用DMU 运动机构校核验证了改进设计的合理性，验证了在达到性能提升的同时兼备安全和便利的修改设计方案，为相关车型的充电口盖总成设计提供了参考。对于改进设计，在安全可靠的前提下都要结合原本结构的特点尽可能保留原有的结构优势，同时对复杂的设计进行合理简化，在创新的基础上也可以运用相对成熟的结构来完善设计，利用现有各类软件辅助设计从而达到在降低成本的同时得到更加安全美观和高效的改进设计。