純電動汽車動力電池包結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)＊

王品健 謝暉 王杭燕

（湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410012）

1 前言

動力電池是電動汽車產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)之一，直接影響著電動汽車的續(xù)航能力與安全性能[1]。當(dāng)前，動力電池技術(shù)仍不成熟，存在著電壓平臺低、能量密度小以及安全性能差等缺陷。為了滿足純電動汽車的要求，需要成倍增加電池包的體積，致使純電動汽車的整車質(zhì)量比同級別燃油汽車高10%～20%，極大地影響了電動汽車的續(xù)航能力與整車動力性能[2]。此外，電池包作為動力電池的主要載體，在維護(hù)電池安全和防止外界干擾等方面起到關(guān)鍵性作用。

國內(nèi)外研究人員對電池包的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究與探索。新加坡學(xué)者Sunarto Kaleg 等人采用5052-0 系列鋁合金作為電池箱體材料，并以最佳材料厚度為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最優(yōu)質(zhì)量的電池箱體[3]。美國鎂業(yè)公司的Neale R.Neelameggham 采用壓鑄鎂作為電池殼體材料，有效減輕了電池箱的自身質(zhì)量并極大改善了電池組的散熱性能[4]。北京理工大學(xué)王露基于電池箱的穩(wěn)健性對箱體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，使得優(yōu)化后的電池箱低階模態(tài)頻率提高40%，質(zhì)量減輕10%[5]。上汽集團(tuán)的張曉紅等人和上海工程技術(shù)大學(xué)的汪佳弄均將碳纖維運(yùn)用到電池箱體上，通過合理的鋪層設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，使電池箱在承載性能不變的前提下極大地減輕了自身質(zhì)量[6-7]。

本文結(jié)合某純電動汽車電池包各結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特性與功能屬性，通過拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化與更換材料等方法對電池包內(nèi)不同結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使電池包在保持良好的整體靜、動態(tài)性能的前提下得到充分優(yōu)化。同時(shí)，對優(yōu)化后的電池包實(shí)體按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全性能測試，進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性。

2 電池包靜動態(tài)性能分析

2.1 有限元模型建立

某純電動汽車動力電池包如圖1 所示，由箱體、熱管理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)等組成[8]。在建立有限元模型時(shí)，需對模型進(jìn)行簡化，刪除電線、繼電器等非結(jié)構(gòu)件，僅保留電池包頂蓋、下蓋、電池罩蓋等結(jié)構(gòu)支撐件，如圖2所示。

圖1 動力電池包實(shí)物

圖2 動力電池包簡化幾何模型

根據(jù)整車有限元建模標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，在HyperMesh 前處理軟件中對電池包幾何簡化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型如圖3所示。

圖3 動力電池包有限元模型

2.2 靜力學(xué)分析

電池包在隨電動汽車行駛過程中所受到的載荷不直接來自于外界，主要源于其內(nèi)部電池組因晃動而產(chǎn)生的慣性沖擊力。本文結(jié)合項(xiàng)目試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，選取3種較為典型的極端工況進(jìn)行受載研究，工況如表1 所示，其中，重力加速度取g=9.8 m/s2。

表1 電池包在各極端工況下的受載情況

根據(jù)動力電池包各結(jié)構(gòu)件的分布可知，電池組晃動所產(chǎn)生的慣性沖擊力主要作用在電池包內(nèi)的電池罩蓋與電池托盤上。為了進(jìn)一步準(zhǔn)確模擬電池包的受載情況，本文結(jié)合相關(guān)研究方法[11]，將各工況下電池組產(chǎn)生的慣性沖擊力均勻地等效加載至電池罩蓋與電池托盤模型的內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)上，如圖4所示。

圖4 動力電池包各工況下載荷的等效分布力

經(jīng)CAE 仿真軟件分析后，得出動力電池包各結(jié)構(gòu)件在不同工況下的靜態(tài)性能。本文提取出電池包結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力與最大變形量進(jìn)行研究，如表2所示。

表2 電池包各工況下最大應(yīng)力與最大變形量

電池包各結(jié)構(gòu)件材料均為鋼材。其中，吊耳采用的是屈服強(qiáng)度為420 MPa的高強(qiáng)度鋼，其他結(jié)構(gòu)件采用屈服強(qiáng)度為210 MPa 的普通鋼板。由分析結(jié)果不難看出，電池包結(jié)構(gòu)在各工況作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于各結(jié)構(gòu)件的材料屈服強(qiáng)度。同時(shí)，最大變形量皆不足1 mm，完全處于電池包結(jié)構(gòu)件之間的安全距離范圍內(nèi)。由此，電池包部分結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)過于保守，應(yīng)對其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 模態(tài)分析

對于與其他物體結(jié)構(gòu)存在連接關(guān)系的研究對象而言，約束模態(tài)能更加真實(shí)地反映其動態(tài)性能。因此，依據(jù)電池包與車身之間的螺栓連接關(guān)系，本文對含有約束條件的電池包模型進(jìn)行模態(tài)分析，并且以電池包吊耳孔6 個自由度全部約束的形式來模擬螺栓連接，如圖5所示。

圖5 電池包與車身螺栓連接模擬示意

利用CAE仿真軟件對電池包進(jìn)行約束模態(tài)分析，提取工程中較為普遍的前6階模態(tài)分析結(jié)果，如表3所示。

表3 動力電池包前6階模態(tài)頻率與振型

電動汽車在各種路面上的激振頻率一般在5～30 Hz范圍內(nèi)，當(dāng)汽車以不高于100 km/h的速度行駛在平坦路面上時(shí)，其激振頻率不超過22 Hz[12]。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，電池包1 階模態(tài)十分接近電動汽車的激振頻率，即使不產(chǎn)生共振也會有較大幅度的振動。因此，為了保持電池包在汽車行駛過程中的平穩(wěn)性，應(yīng)提高其1階模態(tài)的固有頻率以改善電池包整體的動態(tài)性能。

3 電池包箱體優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 更換輕質(zhì)材料

與電池包的其他結(jié)構(gòu)件不同，頂蓋僅以螺栓連接的方式與下蓋相互固定，主要起到防止外界雜物進(jìn)入以及維持電池包整體剛度的作用。且汽車行駛過程中，電池包頂蓋始終不受電池包內(nèi)部組件沖擊與外界載荷的影響。因此，可將電池包頂蓋的材料更換為屈服強(qiáng)度較低的輕質(zhì)材料。

對比各輕質(zhì)材料的性能指標(biāo)，本文采用成形性能好、成本低，且在車身領(lǐng)域技術(shù)更成熟的Al-S-6000 鋁合金作為頂蓋的替代材料，其參數(shù)如表4所示。

表4 Al-S-6000型鋁合金材料特性參數(shù)

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化

電池包加強(qiáng)橫梁是電池包中較為重要的結(jié)構(gòu)件，其作用為支撐電池罩蓋和維持電池包整體剛度與強(qiáng)度。在電池罩蓋與下蓋受到電池組沖擊時(shí)，加強(qiáng)橫梁隨之產(chǎn)生的應(yīng)力和變形主要出現(xiàn)在梁的上端面，而側(cè)端部位幾乎沒有變形。同時(shí)，加強(qiáng)橫梁的幾何特征與加工工藝最為簡單。在對電池包進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，可對加強(qiáng)橫梁的側(cè)端進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，進(jìn)行挖孔處理。

以加強(qiáng)橫梁的最小質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，在Optistruct優(yōu)化軟件中對加強(qiáng)橫梁端面進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6 加強(qiáng)橫梁拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.3 尺寸優(yōu)化

相比于電池包頂蓋與加強(qiáng)橫梁，吊耳、下蓋、電池托盤等結(jié)構(gòu)件的形狀更為復(fù)雜，成型加工較為困難。為使電池包得到充分優(yōu)化，可采用不改變結(jié)構(gòu)件幾何特征的尺寸優(yōu)化進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

以各結(jié)構(gòu)件的厚度為設(shè)計(jì)變量，電池包整體質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，利用Optistruct優(yōu)化軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，得出結(jié)構(gòu)件的最優(yōu)尺寸如表5所示。

表5 電池包其他結(jié)構(gòu)件尺寸優(yōu)化結(jié)果 mm

3.4 形貌優(yōu)化

改善電池包的動態(tài)性能，可通過增加結(jié)構(gòu)件的厚度、改變結(jié)構(gòu)件的整體形狀或結(jié)構(gòu)件表面起筋等方式實(shí)現(xiàn)。然而，增加結(jié)構(gòu)件厚度會增加電池包的整體質(zhì)量，改變結(jié)構(gòu)件的形狀又可能造成與其他零部件發(fā)生干涉，故本文采用表面起筋的方式提升電池包的動態(tài)性能。

在電池包各結(jié)構(gòu)件中，激勵振動主要體現(xiàn)在頂蓋上，并且頂蓋的可設(shè)計(jì)區(qū)域廣泛，能使形貌優(yōu)化中生成的加強(qiáng)筋更加規(guī)則與合理。為此，本文仍將電池包頂蓋作為形貌優(yōu)化對象，其設(shè)計(jì)區(qū)域如圖7所示。

圖7 電池包頂蓋形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域

結(jié)合電池包頂蓋的形狀特征與實(shí)際成型工藝，將電池包頂蓋的起筋寬度、角度以及筋高分別設(shè)置為15 mm、60°和3 mm。并在設(shè)計(jì)與非設(shè)計(jì)區(qū)域之間定義過渡緩沖區(qū)域，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中等問題。本文以1階模態(tài)頻率最大化為目標(biāo)函數(shù)[13]，利用Optistruct 優(yōu)化軟件對頂蓋進(jìn)行形貌優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖8 所示。

圖8 頂蓋形貌優(yōu)化結(jié)果

3.5 優(yōu)化前、后電池包結(jié)構(gòu)性能對比

動力電池包各結(jié)構(gòu)件經(jīng)不同方式優(yōu)化后，整體質(zhì)量較優(yōu)化前減輕3.92 kg，輕量化率達(dá)6.2%。將優(yōu)化后的電池包在相同的工況載荷與約束條件下進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，結(jié)果如表6、表7所示。

表6 優(yōu)化后電池包各工況下最大應(yīng)力和變形量

表7 優(yōu)化后電池包各階模態(tài)頻率

根據(jù)分析結(jié)果，由于優(yōu)化后部分結(jié)構(gòu)件厚度的減薄降低了電池包的整體靜態(tài)性能，使得電池包在各工況下的最大應(yīng)力、變形量均有所增加，但各結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力仍遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，最大變形量仍在安全范圍內(nèi)。此外，因增加頂蓋加強(qiáng)筋，優(yōu)化后電池包動態(tài)性能得到大幅提升，其1階頻率遠(yuǎn)高于電動汽車的激振頻率。

因此，上述結(jié)果表明：優(yōu)化后的電池包在維持良好的靜態(tài)性能前提下，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)性能的提升以及整體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。

4 安全性能測試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電池包優(yōu)化后整體結(jié)構(gòu)的可靠性，本文按照GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》的規(guī)定對優(yōu)化后的電池包實(shí)物進(jìn)行安全性能測試。

電池包的安全性能測試包括擠壓、碰撞、短路保護(hù)、濕熱循環(huán)、鹽霧以及外部火燒等多類檢測項(xiàng)目[14]，但本次優(yōu)化設(shè)計(jì)僅對電池包不同結(jié)構(gòu)件的材料、厚度或幾何特征進(jìn)行了變更，并未改變電池包內(nèi)部的電氣電路、溫控系統(tǒng)和各結(jié)構(gòu)件之間的連接關(guān)系，因此，只進(jìn)行與電池包結(jié)構(gòu)性能要求相關(guān)的幾類測試，如圖9所示。

電動汽車發(fā)生碰撞時(shí)，電池包內(nèi)部的電池會因受到強(qiáng)烈的沖擊和擠壓發(fā)生漏電、起火甚至爆炸。電池組外部殼體會因電池包結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)烈變形而破裂，使得電池內(nèi)部的強(qiáng)腐蝕性電解液發(fā)生泄漏。所以，國家標(biāo)準(zhǔn)要求電池包在測試期間以及測試后，不應(yīng)發(fā)生起火、漏電、爆炸或電解液泄漏等現(xiàn)象[12]。優(yōu)化后的電池包安全性能測試結(jié)果如表8所示。

由檢測結(jié)果可知，優(yōu)化后的電池包實(shí)體在6項(xiàng)檢測中未出現(xiàn)起火、爆炸、電解液泄漏以及短路等問題，各項(xiàng)安全性能指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的電池包仍具有良好的安全性能，該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可行。

圖9 優(yōu)化后電池包實(shí)體模型安全性能測試

表8 優(yōu)化后電池包實(shí)物模型安全性能測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文根據(jù)電池包的實(shí)際工況和與車身的裝配形式，通過CAE方法分析出電池包在不同極限受載與約束條件下的靜動態(tài)性能，結(jié)合電池包各結(jié)構(gòu)件的功能屬性與結(jié)構(gòu)特征，利用更換輕質(zhì)材料和CAE 優(yōu)化的方法對不同電池包結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后，電池包結(jié)構(gòu)在保持良好靜態(tài)性能的前提下，整體質(zhì)量減輕6.2%，且動態(tài)性能得到明顯改善。對優(yōu)化后的電池包實(shí)體進(jìn)行安全性能測試，結(jié)果表明，各項(xiàng)安全性能指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，優(yōu)化后的電池包具有良好的安全性能。