基于精細(xì)化模型的電池箱靜強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

冷曉偉， 戴作強(qiáng)， 鄭莉莉， 任可美， 田 野

(1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院動(dòng)力集成及儲(chǔ)能系統(tǒng)工程技術(shù)中心， 山東 青島 266071；2.青島賽普克有限元科技發(fā)展有限公司， 山東 青島 266101)

電池箱是電動(dòng)汽車的核心部件之一，設(shè)計(jì)高強(qiáng)度、高剛度、高安全性、高輕量化的電池箱[1]，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有重要意義。相關(guān)文獻(xiàn)為電池箱的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有益的參考，但是，這些研究大多是建立粗略的電池箱模型，采用均布載荷或質(zhì)量點(diǎn)的形式進(jìn)行加載，并沒(méi)有考慮電池組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電池組與箱體的接觸非線性、BMS等電氣附件對(duì)箱體變形的影響，力的傳遞路徑與實(shí)際情況并不吻合[2-4]。相關(guān)研究表明，過(guò)于簡(jiǎn)化的電池箱模型會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)的嚴(yán)重失真，進(jìn)而影響后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。為了精確地分析電池箱箱體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，本文保留了電池組內(nèi)部電芯、電芯壓桿、螺柱等傳力部件，建立了考慮電池組、托架、壓板、加強(qiáng)板、緊固螺栓、BMS電氣附件以及外殼的精細(xì)化模型。

1 電池箱精細(xì)化有限元模型

目前的研究大部分采用質(zhì)量點(diǎn)模擬電池組，雖然建模速度快，計(jì)算時(shí)間少，但是電池組對(duì)箱體沖擊力并不是均勻分布在箱體上，箱體變形并不符合實(shí)際。因此，有必要建立考慮電池箱內(nèi)部電芯、托架及BMS等電氣附件的精細(xì)化有限元模型。

某動(dòng)力電池包由5組電池模組、托架、托腳、壓板、加強(qiáng)板、緊固螺栓、BMS電氣附件、箱體和箱蓋等組成。電池組通過(guò)底板的橫梁和縱梁固定，向上則由壓板及螺栓固定，每一個(gè)電池組由16 Ah的三元材料電芯通過(guò)“13并3串”的方式構(gòu)成，電池包的基本參數(shù)如表1所示。

表1 動(dòng)力電池包的基本參數(shù)

電池組內(nèi)部有許多電部件，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，考慮到仿真的難度和準(zhǔn)確度，該精細(xì)化電池箱模型主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 因電芯數(shù)量過(guò)多，考慮到建模的時(shí)間、計(jì)算量、接觸面，將12個(gè)電芯組成的電池組視為一個(gè)實(shí)體，傳力的大小和路徑比質(zhì)量點(diǎn)更精確。

2) 保留電池組主要的傳力部件，例如上壓桿、內(nèi)壓桿、固定螺栓和外殼，保證電池組的慣性沖擊力按精確的路徑作用到箱體底板。

3) 考慮電池組與底板、壓桿與電池組之間的接觸非線性，保證電池組的慣性沖擊力按精確的大小作用到箱體底板。

4) 簡(jiǎn)化程度低，僅僅忽略對(duì)靜強(qiáng)度影響不大的電芯連接鍍鎳銅片、模塊連接片等。

由于箱體、壓桿、底板等部件多為板殼類結(jié)構(gòu)，所以采用殼單元模擬；電池組采用六面體單元模擬；電池組內(nèi)部的固定螺栓不承載電池組載荷，采用CBEAM梁?jiǎn)卧M；上壓板與底板的緊固螺柱起局部加強(qiáng)作用，采用六面體單元建模；托腳與箱體、箱體和箱蓋、托架和壓板等之間的螺栓連接不發(fā)生強(qiáng)度失效，采用REB2剛性單元模擬；電池箱托架之間的點(diǎn)焊、加強(qiáng)板的焊接等采用焊接單元CWELD模擬；電池組與托架、托腳與箱體、托架與箱體之間的接觸均建立非線性接觸。電池箱的精細(xì)化模型如圖1所示，單元尺寸為5 mm × 5 mm，共計(jì)單元289 503個(gè)，節(jié)點(diǎn)325 832個(gè)，雅克比最小為0.7，質(zhì)量非常高。

圖1 電池箱精細(xì)化模型

2 電池箱靜強(qiáng)度的對(duì)比分析

電池箱靜強(qiáng)度分析的加載方式主要有均布力、均布載荷、質(zhì)量點(diǎn)等，這3種方式往往需要很大的動(dòng)載系數(shù)，電池箱的應(yīng)力和變形十分保守。為對(duì)比不同加載方式的響應(yīng)差異，分別采用質(zhì)量點(diǎn)模型和精細(xì)化模型進(jìn)行加載。電動(dòng)汽車行駛工況繁多，不可能一一窮盡。文獻(xiàn)[5]選取了垂向顛簸、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)制動(dòng)、倒車制動(dòng)5種工況，分析表明垂向顛簸工況下電池箱的應(yīng)力狀況最惡劣，安全系數(shù)最小，為1.54。故本文以顛簸工況為參照，對(duì)整體施加垂向加速度3g(z負(fù)方向)。電池箱通過(guò)托腳和螺栓連接在車架上，故約束托腳螺栓孔處中心點(diǎn)x、y、z方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模擬與車架的固定連接。

2.1 形變分析

1) 質(zhì)量點(diǎn)模型。在質(zhì)量點(diǎn)模型中，由于箱體和箱蓋僅僅起到密封、絕緣的作用，并不直接承受電池組載荷，所以重點(diǎn)研究托架的變形和應(yīng)力。采用質(zhì)量點(diǎn)模型的形變分布如圖2所示，由圖可知，托架的整體變形表現(xiàn)為底板a、壓板b中心的垂向彎曲，形變量由底板a中心位置向外呈輻射狀減小，最大形變量為0.58 mm；模型的柔度為568 mm/N。

圖2 質(zhì)量點(diǎn)模型形變?cè)茍D

2) 精細(xì)化模型。采用精細(xì)化模型的形變分布如圖3所示，由圖可知，托架的最大形變發(fā)生在底板C處，最大形變量為0.12 mm。形變主要表現(xiàn)為底板C、縱梁A以及固定梁B的垂向彎曲，并沒(méi)有呈現(xiàn)出如圖2所示的中心向外輻射狀。底板C、縱梁A處形變較大，是因?yàn)樵搨?cè)布置了3個(gè)電池組，慣性沖擊載荷較大。模型的柔度為22 mm/N，剛度大幅提高。

圖3 精細(xì)化模型形變?cè)茍D

由于質(zhì)量點(diǎn)模型和精細(xì)化模型的傳力大小和路徑不同，導(dǎo)致最大形變出現(xiàn)的位置和大小也不同，精細(xì)化模型的形變更符合實(shí)際。

2.2 應(yīng)力分析

1) 質(zhì)量點(diǎn)模型。采用質(zhì)量點(diǎn)模型的應(yīng)力分布如圖4所示，由圖可知，底板的應(yīng)力分布很不均勻，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在d處托腳螺栓孔附近，為101 MPa，安全系數(shù)為2.3。

2) 精細(xì)化模型。采用精細(xì)化模型的應(yīng)力分布圖如圖5所示，由圖可知，托架底板整體的應(yīng)力較低，最大等效應(yīng)力為102 MPa，出現(xiàn)在D處托腳螺栓孔附近，安全系數(shù)為2.3。

圖5 精細(xì)化模型應(yīng)力云圖

這兩種模型的最大等效應(yīng)力很接近，均出現(xiàn)在托腳的同一個(gè)螺栓孔處；底板中部肋上的應(yīng)力值也很接近，約為25 MPa。這說(shuō)明質(zhì)量點(diǎn)模型和精細(xì)化模型的托腳螺栓孔、底板的應(yīng)力分布差異較小。因此，質(zhì)量點(diǎn)和精細(xì)化模型兩種加載方式對(duì)最大應(yīng)力的位置和大小影響不大。

根據(jù)材料力學(xué)理論[6]，在一般的靜強(qiáng)度分析中，塑性材料的安全系數(shù)一般取1.5～3.2。文獻(xiàn)[7]對(duì)電池箱的靜力學(xué)形變給出參照，在3g加速度載荷下，電池箱內(nèi)結(jié)構(gòu)件的形變量不得超過(guò)3 mm。所以，綜合兩種建模方式的靜態(tài)響應(yīng)結(jié)果，最大應(yīng)力和最大形變都滿足要求。

3 電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由前面的分析可知，精細(xì)化模型的形變和應(yīng)力分布更符合實(shí)際，結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)采用精細(xì)化模型某電池箱總重約45 kg，占整個(gè)電池包的25.7%，過(guò)于笨重。通過(guò)前面的靜強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)，除了電池箱托腳的螺栓孔出現(xiàn)了應(yīng)力集中外，大部分的鈑金件應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力值均小于100 MPa，設(shè)計(jì)過(guò)于保守。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[8]，汽車總質(zhì)量每下降10%，能耗就能降低6%～8%，因而有必要對(duì)電池箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文采用尺寸優(yōu)化的方式，以精細(xì)化模型的顛簸工況為優(yōu)化工況，尋求滿足靜強(qiáng)度要求下質(zhì)量最優(yōu)的電池箱；選取電池箱的加強(qiáng)梁、加強(qiáng)板、橫梁、固定梁等鈑金件為設(shè)計(jì)變量，并給設(shè)計(jì)變量指定響應(yīng)及性能約束。為使結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)化空間，將應(yīng)力約束的最大上限值設(shè)定為許用應(yīng)力156 MPa，最大形變量由0.12 mm放寬到0.20 mm；目標(biāo)函數(shù)為質(zhì)量最小。

經(jīng)過(guò)25次迭代后，各個(gè)設(shè)計(jì)變量最優(yōu)厚度如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化前后對(duì)比

除橫梁1厚度增加外，其余梁和板厚度均有所減小。這是因?yàn)闄M梁1承載著電池模塊，其厚度的增大對(duì)形變量的減小起到了正相關(guān)的作用。優(yōu)化后的電池箱最大形變?yōu)?.19 mm，依然發(fā)生在底板C處，形變的分布與優(yōu)化前相似。優(yōu)化后的最大應(yīng)力依然出現(xiàn)在圖5 D處的螺栓孔，最大應(yīng)力為118 MPa，較優(yōu)化前增大了16 MPa，安全系數(shù)為1.99，符合強(qiáng)度要求。優(yōu)化后電池箱總質(zhì)量由45.12 kg減小到42.30 kg，減少了6.3%，優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用質(zhì)量點(diǎn)模型和精細(xì)化模型對(duì)電池箱的靜態(tài)性能進(jìn)行對(duì)比分析。與傳統(tǒng)的質(zhì)量點(diǎn)模型相比，全接觸式的精細(xì)化電池箱模型的傳力大小和路徑更為準(zhǔn)確，得到的形變和應(yīng)力更符合實(shí)際。采用尺寸優(yōu)化的方法，改善了電池箱的材料分布，雖然安全系數(shù)有所減小，形變有所增大，但是都在合理范圍內(nèi)。最終電池箱減重2.82 kg，優(yōu)化目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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