某轻卡蓄电池及固定支架轻量化设计

况江秀，孔 飞，黄海庆

某轻卡蓄电池及固定支架轻量化设计

况江秀，孔 飞，黄海庆

（江西五十铃汽车有限公司 产品开发技术中心，江西 南昌 330001）

为落实国家节能减排政策要求，开展整车轻量化研究设计，减轻轻卡整备质量，提升燃油经济性能，文章的某轻卡采用新型锂电池代替传统的铅酸蓄电池，并进行抗挤压性能试验、抗冲击试验及低温冷启动试验，试验结果满足目标要求，蓄电池重量减至5.5 kg，实现减重15 kg；同时运用计算机辅助工程（CAE）仿真软件，进行蓄电池固定支架轻量化设计，以实车下的蓄电池支架加速度数据为输入激励，进行CAE强度分析，试验结果满足目标要求，实现减重1.2 kg，轻量化效果显著。

轻卡锂电池；蓄电池固定支架；轻量化；CAE分析

中国经济蓬勃发展，与此同时经济结构的转型升级，极大促进了电商经济的蓬勃发展，促使轻卡销量日益攀升。

轻卡是指车型分类中的N类载货汽车，最大总质量不大于4.5吨的N2类车型，根据中国汽车工业协会的权威数据，2022年全国商用轻卡销量达到161.8万台，其中燃油轻卡占轻卡总销量比高达85%，巨大的汽车保有量也催生出一系列的问题，尤其是环境问题影响国家双碳目标达成及国民呼吸健康指标。在确保轻卡整车性能指标不降低的前提下，各大轻卡主机厂都在尽可能减小整备质量[1-3]。汽车轻量化技术，旨在保证整车和零部件的刚强度及安全性能不降低的前提下，开展零部件的轻量化工作，实现绿色环保可持续发展。

蓄电池作为轻卡重要的电源系统，直接影响车辆能否正常启动、驾驶室内低压用电设备能否正常工作[4-5]。目前行业内轻卡蓄电池通常为直流24 V，常见的轻卡蓄电池品牌为风帆或骆驼牌的铅酸蓄电池，单个蓄电池重量约为21.5 kg。蓄电池固定支架是用于固定安装蓄电池的重要支撑零件，为半封闭式合盖刚性结构，其重量通常在10 kg左右。故开展轻卡蓄电池及固定支架的轻量化，可以有效减轻整车重量，具有重要的经济效益。

本文结合目前行业内电池发展的新趋势，开展轻卡蓄电池（锂电池）的轻量化分析，并进行相关的性能试验，可减重15 kg，轻量化效果非常显著。

同时本文进行蓄电池固定支架轻量化设计，采用实测的加速度激励数据，进行计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）强度分析，可实现固定支架减重1.2 kg。

1 某轻卡轻量化锂电池性能测试与分析

传统轻卡的蓄电池由于价格便宜及便利性好，通常采用铅酸蓄电池，其极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液为硫酸的水溶液。但是存在重量大、使用寿命短、硫酸泄漏易腐蚀等缺点，急需开发一种重量轻、性能稳定的蓄电池。

图1 轻卡轻量化锂电池

磷酸铁锂电池（简称锂电池），如图1所示，其充电电压与传统的铅酸蓄电池相当，但具备快充功能，充电时间提升了70%。传统铅酸蓄电池循环寿命为200～300次，但锂电池的循环寿命为1 000次以上，大幅提升了其使用寿命，降低用户蓄电池更换成本，且重量减轻至5.5 kg，减重高达15 kg，轻量化效果非常显著。

1.1 轻量化锂电池抗挤压性能试验

轻卡蓄电池通常会布置于车架纵梁一侧，在行驶过程中的侧碰易导致蓄电池被挤压碰撞的风险。故本文首先进行轻量化锂电池的抗挤压性能试验。

在某工装试验台试验时，一侧为固定刚性板，另一侧采用半圆挤压柱，匀速施加挤压载荷，挤压载荷为5 kN，如图2所示，试验后锂电池未起火，未出现爆炸及泄露等事故，性能满足目标要求。

1.2 轻量化锂电池抗冲击性能试验

轻卡作为重要的商用车型，后装可承载1.5～2 t货物，故向冲击往往较大，尤其在过坑或减速带时，向冲击高达5。本文开展了轻量化锂电池抗冲击性能试验，将锂电池固定于一个刚性基座上面，上端采用一个紧凑型压板，施加垂向冲击载荷，如图3所示，试验结果显示，轻量化锂电池在相应垂向冲击载荷作用下，无起火和泄露等问题，试验后锂电池的绝缘电阻不低于90 Ω/V，满足性能目标要求。

图3 轻量化锂电池抗冲击性能试验

1.3 轻量化锂电池低温冷启动试验

轻卡其使用场景复杂多变，既有南方高温天气，又有北方寒冷环境。因此，蓄电池需要保证在各种复杂环境条件下均具有良好的启动性能。本文在某环模试验室，对轻量化锂电池进行整车低温冷启动试验，如图4所示，试样样车数量为两台，环境温度为-30 ℃，放置时间8 h。试验结果表明，在-18 ℃温度下，启动电流达到300 A，5 s电压为15.9 V，在1 000个循环后，容量保持率达到91%，在低温环境下，轻量化锂电池24 V10 Ah在50%荷电状态下，三次点火均成功，满足启动性能目标要求。

2 某轻卡蓄电池固定支架轻量化设计

蓄电池固定支架是蓄电池固定安装基体，属于盒盖封闭式刚性体，从力学角度可简化为悬臂件，安装于轻卡车架纵梁一侧。本文开展某轻卡蓄电池固定支架结构对比分析及轻量化设计，根据材料力学悬臂件力学理论，对基础方案的底板及侧板进行减重孔设计，并减少料厚至0.8 mm，实现减重1.2 kg，如图5所示。

图5 蓄电池固定支架基础结构和轻量化结构

本文采用某综合试验场采集的实车路谱的加速度数据，运用HyperWorks软件，建立轻量化蓄电池固定支架有限元模型，网格大小为3 mm，材料为DCO1，弹性模量为21 000 MPa，泊松比为0.3。固定支架安装于车架纵梁一侧，进行CAE强度分析，结果如图6所示。其中，向5工况下支架最大应力为264 MPa，向5工况下支架最大应力为76 MPa，向5工况下支架最大应力为135 MPa，均小于材料屈服强度420 MPa，满足设计要求。

3 结论

本文基于电池新材料和有限元理论，进行锂电池的轻量设计及验证、固定支架的轻量化设计及CAE分析，得到如下结论：

1）采用锂电池重量可减至5.5 kg，实现减重15 kg，轻量化效果非常显著，同时进行抗挤压性能试验、抗冲击试验及低温冷启动试验，试验结果满足目标要求；

2）运用CAE仿真软件，进行蓄电池固定支架轻量化设计，在满足强度的要求下减重1.2 kg，轻量化效果显著。

[1] 周冬龙.基于虚拟迭代的某轻卡后桥疲劳分析研究[D].太原:中北大学,2019.

[2] 胡银苹,陈腾飞,张珂.简述轻量化上装的有限元分析[J].汽车实用技术,2019,44(24):24-28.

[3] 童波,邵庆贤,汤艳,等.结构优化和新材料技术对商用车轻量化的影响[J].汽车零部件,2015(4):36-39.

[4] 黄勤,何帆影,宋磊,等.基于有限元方法的某轻卡车架性能研究[J].汽车实用技术, 2020,45(7):89-91.

[5] 黄勤,刘风华,何帆影,等.基于Nastran的某轻卡ECU支架共振问题优化研究[J].汽车实用技术,2020,45 (9):146-147.

Lightweight Design of a Light Truck Battery and Fixed Support

KUANG Jiangxiu, KONG Fei, HUANG Haiqing

( Product Development Technology Center, Jiangxi ISUZU Motors Company Limited, Nanchang 330001, China )

To implement the national energy-saving and emission reduction policy requirements, carry out research and design on vehicle lightweight, reduce the curb weight of light trucks, and improve fuel economy performance, a light truck in this article uses a new type of lithium battery instead of the traditional lead-acid battery, and carries out extrusion resistance test, impact resistance test and cold start test.The test results meet the target requirements, and the weight of the battery is reduced to 5.5 kg, achieving a weight loss of 15 kg. At the same time, computer aided engineering(CAE) simulation software is used to carry out lightweight design of the battery fixing bracket, and the acceleration data of the battery bracket under the real vehicle is used as the input incentive to carry out CAE strength analysis. The test results meet the target requirements, and the weight is reduced by 1.2 kg, and the lightweight effect is remarkable.

Light truck lithium battery; Battery fixing bracket; Lightweight; CAE analysis

U463

A

1671-7988(2023)20-93-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.018

况江秀（1988－），女，硕士，工程师，研究方向为机械工程，E-mail:122710963@qq.com。