CN104443039B - 一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构 - Google Patents

一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，包括：框架式车架、分块式电池包结构、密封板和地板，其中，所述的框架式车架包括前车梁(1)、后车梁(2)、锥形多胞薄壁管结构(3)和门槛结构(4)；其中，前车架(1)位于所述框架式车架的前端，后车架(2)位于所述框架式车架的后部位置，前车架(1)与后车架(2)通过位于正交吸能结构(7)中左右两侧的纵向吸能结构相连接，门槛结构(4)与正交吸能结构(7)通过锥形多胞薄壁管结构过渡连接。本发明结构的实施方式简便、快捷，既减少了零件数量，提高了材料利用率，又简化了该一体式结构的制造工艺，在实现结构轻量化设计的同时很大程度上提高了其碰撞安全性能。

Description

一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构
技术领域
本发明涉及一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，尤其涉及一种能够高效吸能、全方位保护电池包碰撞安全性能以及轻量化程度高的电动汽车车架结构。
背景技术
汽车工业的快速发展正面临着能源短缺、环境污染等一系列瓶颈，安全、节能、环保成为汽车工业发展的主题。为实现这一目标，电动汽车的发展已成为必然趋势。然而，制约电动汽车快速发展的主要因素是电池的续航里程和电池安全问题。由于电池包本体质量大约占电动汽车整备质量的三分之一，为实现电动汽车的目标续航里程，电动汽车的结构轻量化设计成为解决这一问题非常重要的手段。在电动汽车的诸多技术中，电动汽车车架、电池包结构的轻量化设计和安全性创新设计是一项至关重要的研究课题。同时，实现车架和电池包结构的轻量化在一定程度上也可以提升电动汽车的续航里程。
然而，当前主流电动汽车的电池包结构和车架结构往往采用独立设计的策略，其缺点是电动车车架与电池包结构的总体质量很大，同时很难做到对电池包安全性能的全方位保护。导致电动汽车在长时间工作或碰撞事故过程中，电池包结构无法保证电池单元的完整性和安全性能，从而电池单元很容易发生相互挤压，造成电池破坏、电池自燃等现象。
铝合金材料具有强度高、耐腐蚀和散热速度快等特性，其密度只有钢材的1/3，具有优良机械加工性能以及铸造工艺性能，是一种很好的汽车轻量化材料。蜂窝铝材料是由铝箔经胶结拉伸而成，具有质量轻、吸能效率高的特点，是一种很好碰撞吸能结构。为此，本发明结合铝合金和蜂窝铝的优势设计出一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构。该结构既能在电动汽车电池包结构碰撞安全性和轻量化设计等方面取得很好的平衡，又能够满足消费者对电动汽车续航里程的不同需求而灵活选装不同数量的独立电池包单元的技术要求。
发明内容
本发明提供一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，旨在实现电动汽车车架及电池包结构的碰撞安全性设计、轻量化设计以及方便设计者根据消费者对续航里程的不同需求灵活安装不同数量的电池包单元。
本发明的技术方案是提供一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，包括：框架式车架、分块式电池包结构、密封板和地板，其特征在于：
所述的框架式车架包括前车梁、后车梁、锥形多胞薄壁管结构和门槛结构；其中，前车架位于所述框架式车架的前端，后车架位于所述框架式车架的后部位置，前车架与后车架通过位于正交吸能结构中左右两侧的纵向吸能结构相连接，门槛结构与正交吸能结构通过锥形多胞薄壁管结构过渡连接；
所述分块式电池包结构包括正交吸能结构和蜂窝铝填充结构；蜂窝铝填充结构填充于正交吸能结构内部，二者结构胶相连接；其中，分块式电池包结构集成于框架式车架中，并与框架式车架形成一个完整的受力体，该分块式电池包结构既作为独立电池包单元的安装结构用于承载整个电池组的本体重量，又作为电动汽车车架的横梁和纵梁结构用于承载来自车身座椅和乘员的重量。
所述的密封板和地板均利用密封胶条、镶嵌于正交吸能结构内部的拉铆螺母以及螺栓与正交吸能结构进行紧固连接，密封板和地板均对电池箱起到密封作用。
进一步地，独立电池包单元和主控制箱均通过螺栓与镶嵌于正交吸能结构内部的拉铆螺母紧固连接，以固定于正交吸能结构上。
进一步地，蜂窝铝材料由铝箔经胶结拉伸而成，其中，每个六边形孔与相邻六边形孔的共享边是由两层铝箔胶结构成，沿着六边形孔的方向设定为T方向，在与T方向垂直的矩形平面上，与矩形平面长边平行的方向为L方向，与矩形平面短边平行的方向为W方向。
进一步地，在所述分块式电池包结构中沿纵向布置的正交吸能结构内部填充蜂窝铝时，蜂窝铝的T方向沿横向布置；在所述分块式电池包结构中沿横向布置的正交吸能结构内部填充蜂窝铝时，蜂窝铝的T方向沿纵向布置。
进一步地，该多胞截面形状的外层截面形状为正十二边形，内层截面形状为与正十二边形各边长相平行的正四边形，内层截面与外层截面通过肋条过渡连接。
进一步地，当发生汽车100％正面碰撞时，碰撞载荷依次传递至前车架、左右大梁、左右门槛结构、分块式电池包结构的各纵向吸能结构而得到有效分散；
进一步地，当发生汽车40％偏置碰撞时，碰撞载荷依次传递至前车架、左大梁、左右门槛结构、分块式电池包结构的各纵向吸能结构而得到有效分散。
进一步地，当发生汽车侧面碰撞时，侧面碰撞载荷依次传递至门槛结构、锥形多胞薄壁管结构、分块电池包各横向吸能结构而得到有效分散。
进一步地，当发生汽车后面碰撞时，碰撞载荷依次传递至后车架、左右后大梁、左右门槛结构、分块式电池包结构的各纵向吸能结构而得到有效分散。
本发明还提供了一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构安装方法，其特征在于：
独立电池包单元下端四个角位置开有螺栓孔，正交吸能结构在高度方向的相应位置镶嵌有拉铆螺母，由此，利用螺栓与镶嵌于正交吸能结构内部的拉铆螺母进行螺栓连接实现独立电池包单元自下而上与正交吸能结构的紧固连接。
本发明的有益效果：
1)采用本发明电池包分布式安装的电动汽车车架结构能够保证在发生汽车碰撞时独立电池包单元受到的冲击能量被有效吸收，同时可以有效避免独立电池包单元之间相互挤压变形，极大减少了电池组在碰撞事故中自然现象的发生。
2)本发明结构中独立电池包单元的自下而上的安装方式方便、快捷，既可以根据消费者对续航里程的不同需求灵活安装不同数量的电池包单元，又可以实现后续使用过程中方便、快捷地对独立电池包单元进行更换或维修。
3)本发明结构实施方式简便、快捷，既减少了零件数量，提高了材料利用率，又简化了该一体式结构的制造工艺，在实现结构轻量化设计的同时很大程度上提高了其碰撞安全性能。
4)由于铝合金材料具有强度高、耐腐蚀和散热速度快等特性，其密度只有钢材的1/3，并且具有优良机械加工性能以及铸造工艺性能，因此，本发明实现了电动汽车车架及电池包结构轻量化设计。
附图说明
图1是本发明电池包分布式安装的电动汽车车架结构全局示意图；
图2是本发明电动汽车下车体结构示意图；
图3是蜂窝铝结构示意图；
图4是本发明结构中蜂窝铝填充方式示意图；
图5(a)是本发明结构中锥形多胞薄壁管结构的截面形状示意图；
图5(b)是本发明结构中锥形多胞薄壁管结构示意图；
图6(a)是本发明结构中门槛结构的仿生学截面形状示意图；
图6(b)是本发明结构中门槛结构示意图；
图7是独立电池包单元示意图；
图8是独立电池包单元与正交吸能结构的装配关系示意图；
图9是主控制箱示意图；
图10是主控制箱装配关系示意图；
图11是密封板结构示意图；
图12是地板结构示意图；
图13(a)是本发明结构100％正面碰撞传力路径示意图；
图13(b)是本发明结构40％偏置碰撞传力路径示意图；
图13(c)是本发明结构侧面碰撞传力路径示意图；
图13(d)是本发明结构后面碰撞传力路径示意图。
其中：
1-前车梁、2-后车梁、3-锥形多胞薄壁管结构、4-门槛结构、5-独立电池包单元、6-主控制箱、7-正交吸能结构、8-蜂窝铝填充结构、9-密封板、10-密封胶条、11-地板、12-拉铆螺母、13-螺栓
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-2所示，本发明所述的用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，其包括：框架式车架、分块式电池包结构、密封板和地板四大部分。
所述的框架式车架包括前车梁1、后车梁2、锥形多胞薄壁管结构3和门槛结构4；其中，前车架1位于所述框架式车架的前端，后车架2位于所述框架式车架的后部位置，前车架1与后车架2通过位于正交吸能结构7中左右两侧的纵向吸能结构相连接，门槛结构4与正交吸能结构7通过锥形多胞薄壁管结构3过渡连接。
所述分块式电池包结构包括正交吸能结构7和蜂窝铝填充结构8；其中，分块式电池包结构集成于框架式车架中，从力学角度上与框架式车架形成一个完整的受力整体，该分块式电池包结构既可作为独立电池包单元5的安装结构用于承载整个电池组的本体重量，又可作为电动汽车车架的横梁和纵梁结构用于承载来自车身座椅和乘员的重量。所述的密封板9和地板11均利用密封胶条10、镶嵌于正交吸能结构7内部的拉铆螺母12以及螺栓13与正交吸能结构7进行紧固连接，二者均对电池箱起到密封作用。独立电池包单元5和主控制箱6均通过螺栓13与镶嵌于正交吸能结构7内部的拉铆螺母12紧固连接，以固定于正交吸能结构7上。
如图3所示为蜂窝铝结构示意图：蜂窝铝是一种典型的多孔材料，具有高强度密度比。蜂窝铝材料由铝箔经胶结拉伸而成，属于三向异性材料，材料特性复杂。每个六边形孔与相邻六边形孔的共享边是由两层铝箔胶结构成，沿着六边形孔的方向设定为T方向，在与T方向垂直的矩形平面上，与矩形平面长边平行的方向为L方向，与矩形平面短边平行的方向为W方向。蜂窝铝在T方向强度通常是L方向和W方向的10倍左右。
如图4所示是本发明结构中蜂窝铝填充方式示意图：本发明充分利用蜂窝铝结构质量轻、吸能效率高的特点，在填充蜂窝铝结构时，应保证蜂窝铝的T方向与主要碰撞载荷方向一致，即在所述分块式电池包结构中沿纵向布置的正交吸能结构7内部填充蜂窝铝时，蜂窝铝的T方向沿横向布置；在所述分块式电池包结构中沿横向布置的正交吸能结构7内部填充蜂窝铝时，蜂窝铝的T方向沿纵向布置。另外，蜂窝铝结构在正交吸能结构7的填充固定方式可通过粘胶连接工艺实现。此时，在发生100％正面碰撞、40％正面偏置碰撞或者侧面碰撞时，独立电池包单元5所受到的冲击能量可以有效通过周围的蜂窝铝结构缓冲变形吸收，同时由于各独立电池单元5之间存在一定的碰撞缓冲空间，有效避免了在碰撞事故中独立电池单元5相互挤压变形，从而极大减少了电池组在碰撞事故中自燃现象的发生。蜂窝铝填充结构填充于正交吸能结构7内部，二者结构胶相连接。
如图5所示是本发明结构中锥形多胞薄壁管结构示意图：本发明结构中门槛4和正交吸能结构7之间通过锥形多胞薄壁管结构3过渡连接。图5(a)所示是锥形多胞薄壁管结构3的截面形状示意图，该多胞截面形状的外层截面形状为正十二边形，内层截面形状为与正十二边形各边长相平行的正四边形，内层截面与外层截面通过肋条过渡连接。该多胞截面形状具有几何高度对称性，抵抗轴向压溃、弯曲变形、扭转变形能力强等力学特性；图5(b)是所述锥形多胞薄壁管结构三维效果示意图，所述锥形多胞薄壁管结构3采用铝合金材料，通过挤压成型获得，其平均压溃力沿轴线方向由外向内逐渐递增，具有很好的吸能、轴向压溃变形等特性。在发生侧面碰撞时，所述锥形多胞薄壁管结构3可实现逐级压溃变形、增加侧面碰撞吸能量及车体压溃空间、合理分散碰撞载荷等功能，起到很好的保护电池组单元5的效果。
如图6所示是本发明结构中门槛结构示意图：其中，图6(a)是本发明结构中门槛结构的仿生学截面形状示意图，门槛结构4的截面形状的设计灵感来源于现实生活中“拱形”桥梁结构形式，其截面形状采用“三墩四孔”形式设计。如图6(b)所示是所述门槛结构的三维效果示意图，所述门槛结构4选用铝合金材料，可通过挤压成型获得。由于“拱形”桥梁结构能够承受各种复杂路面载荷，具有冲击性强、抗弯刚度高、疲劳耐久性好等诸多优良的力学特性。因此，所述结构具有很强的抗弯刚度，在发生侧面碰撞时具有很强的抵抗弯曲变形的能力，从而降低结构侵入量及侵入速度值，起到保护独立电池包单元5的作用。
如图7-8所示是本发明结构中独立电池包单元及其安装方式示意图：独立电池包单元5下端四个角位置开有螺栓孔，正交吸能结构7在高度方向的相应位置镶嵌有拉铆螺母12，由此，利用螺栓13与镶嵌于正交吸能结构7内部的拉铆螺母12进行螺栓连接可实现独立电池包单元5自下而上与正交吸能结构7的紧固连接。图8为独立电池包单元5与正交吸能结构7的装配关系示意图。安装好的独立电池包单元5底部与密封板9具有一定的间隙，防止密封板9与地面刮擦导致电池组受损现象的发生。本发明结构中独立电池包单元5与正交吸能结构7的装配方式可实现以下两个重要功能：第一、充分利用了正交吸能结构7的高垂向弯度刚度和强度的特性，使其用于承载独立电池包单元5的自身重量，进而消除独立电池包单元5对密封板9的垂向载荷，使密封板无需具有很强的结构只需起到密封作用即可；第二、独立电池包单元5的自下而上的装配方式方便、快捷，既可以根据消费者对续航里程的不同需求灵活安装不同数量的电池包单元，又可以实现后续使用过程中方便、快捷地对独立电池包单元5进行更换或维修。
如图9-10所示是本发明结构中主控制箱及其安装方式示意图：主控制箱6和正交吸能结构7之间的装配方式与独立电池包单元5和正交吸能结构7之间的装配方式相同。
如图11-12所示是本发明结构中密封板和地板结构示意图：密封板9和地板11均利用密封胶条10、镶嵌于正交吸能结构7内部的拉铆螺母12以及螺栓13与正交吸能结构7进行紧固连接，二者均对整个电池箱起到密封作用。
如图13所示是本发明结构在各碰撞工况下的传力路径示意图：当发生汽车100％正面碰撞时，碰撞载荷依次传递至前车架1、左右大梁、左右门槛4、分块式电池包结构的各纵向吸能结构而得到有效分散，其传力路径示意图见图13(a)；当发生汽车40％偏置碰撞时，碰撞载荷依次传递至前车架1、左大梁、左右门槛4、分块式电池包结构的各纵向吸能结构而得到有效分散，其传力路径示意图见图13(b)；当发生汽车侧面碰撞时，侧面碰撞载荷依次传递至门槛4、锥形多胞薄壁管结构3、分块电池包各横向吸能结构而得到有效分散，其传力路径示意图见图13(c)；当发生汽车后面碰撞时，碰撞载荷依次传递至后车架2、左右后大梁、左右门槛4、分块式电池包结构的各纵向吸能结构而得到有效分散，其传力路径示意图见图13(d)。综上所述，本发明结构能够保证汽车在发生碰撞时，各独立电池包单元5受到的冲击能量被有效吸收，又可以有效避免独立电池包单元5之间相互挤压变形，极大的减少了电池组在碰撞事故中发生自燃现象的概率。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的设计人员来说，在不脱离本发明原理提前下的若干改进方案，(如通过更改独立电池包单元的排列形式从而达到扩充与缩减独立电池包单元数量目的以及由此排列形式引起的车架力学结构的变化、或者提出一种基于类似结构的碰撞吸能方法、或者将铝合金更换为镁合金、工程塑料等轻质材料；或者在类似结构基础上更换填充材料等)，应当视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，包括：框架式车架、分块式电池包结构、密封板和地板，其特征在于：
所述框架式车架包括前车架(1)、后车梁(2)、薄壁管结构和门槛结构(4)；其中，前车架(1)位于所述框架式车架的前端，后车架(2)位于所述框架式车架的后部位置，前车架(1)与后车架(2)通过位于正交吸能结构(7)的左右两侧的纵向吸能结构相连接，门槛结构(4)与正交吸能结构(7)通过薄壁管结构过渡连接；
所述分块式电池包结构包括正交吸能结构(7)和蜂窝铝填充结构(8)；蜂窝铝填充结构(8)填充于正交吸能结构(7)内部，二者通过结构胶相互连接；其中，分块式电池包结构集成于框架式车架中，并与框架式车架形成一个完整的受力体，该分块式电池包结构既作为独立电池包单元(5)的安装结构用于承载整个电池组的本体重量，又作为电动汽车车架的横梁和纵梁结构用于承载来自车身座椅和乘员的重量；
所述密封板(9)和地板(11)利用密封胶条(10)、镶嵌于正交吸能结构(7)内部的拉铆螺母(12)以及螺栓(13)与正交吸能结构(7)进行紧固连接，密封板(9)和地板(11)均对电池箱起到密封作用；
当发生汽车100％正面碰撞时，碰撞载荷依次传递至前车架(1)、左右大梁、左右门槛结构(4)、分块式电池包结构的各纵向吸能结构，从而使得碰撞载荷得到有效分散；
当发生汽车偏置碰撞时，碰撞载荷依次传递至前车架(1)、左大梁、左右门槛结构(4)、分块式电池包结构的各纵向吸能结构，从而使得碰撞载荷得到有效分散；
当发生汽车侧面碰撞时，侧面碰撞载荷依次传递至门槛结构(4)、锥形多胞薄壁管结构(3)、分块电池包各横向吸能结构，从而使得碰撞载荷得到有效分散；
当发生汽车后面碰撞时，碰撞载荷依次传递至后车架(2)、左右后大梁、左右门槛结构(4)、分块式电池包结构的各纵向吸能结构，从而使得碰撞载荷得到有效分散。
2.根据权利要求1所述的用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，其特征在于：独立电池包单元(5)和主控制箱(6)均通过螺栓(13)与镶嵌于正交吸能结构(7)内部的拉铆螺母(12)紧固连接，以固定于正交吸能结构(7)上。
3.根据权利要求1所述的用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，其特征在于：蜂窝铝材料由铝箔经胶结拉伸而成，其中，每个六边形孔与相邻六边形孔的共享边是由两层铝箔胶结构成，沿着六边形孔的方向设定为T方向，在与T方向垂直的矩形平面上，与矩形平面长边平行的方向为L方向，与矩形平面短边平行的方向为W方向。
4.根据权利要求1所述的用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，其特征在于：在所述分块式电池包结构中沿纵向布置的正交吸能结构(7)内部填充蜂窝铝时，蜂窝铝的T方向沿横向布置；在所述分块式电池包结构中沿横向布置的正交吸能结构(7)内部填充蜂窝铝时，蜂窝铝的T方向沿纵向布置。
5.根据权利要求1所述的用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，其特征在于：薄壁管结构为锥形多胞薄壁管(3)，其中多胞截面形状的外层截面形状为正十二边形，内层截面形状为正四边形，内层截面与外层截面通过肋条过渡连接。
6.根据权利要求1所述的用于电池包分布式安装的电动汽车车架结构，其特征在于：
独立电池包单元(5)下端四个角位置开有螺栓孔，正交吸能结构(7)在高度方向的相应位置镶嵌有拉铆螺母(12)，由此，利用螺栓(13)与镶嵌于正交吸能结构(7)内部的拉铆螺母(12)进行螺栓连接实现独立电池包单元(5)自下而上与正交吸能结构(7)的紧固连接。
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