新能源汽車用電池包支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李新

東軟睿馳汽車技術(shù)（沈陽）有限公司 遼寧沈陽 110179

基于整車布置和安全等方面因素考慮，電池包大多通過螺栓固定安裝在汽車地板下方，主要承受車身傳遞的加速度沖擊，由于路面及速度等工況不確定性，因而往往選擇的電池包支架結(jié)構(gòu)非常重要。本文提出了電池包支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證電池包的正常工作。

1 電池包的基本結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)集成在一個(gè)電池包中，包括電池模組、電連接結(jié)構(gòu)、機(jī)械固定結(jié)構(gòu)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電池電壓管理和電池安全需要的電池管理系統(tǒng)（BMS），其中BMS模塊又包括電池傳感器、控制器及制動(dòng)器。電池包容納多個(gè)電池組模組，每個(gè)模組由多個(gè)單體電池并串聯(lián)組成，電池模組由鋁或復(fù)合材料框架包圍，固定在電池包箱體內(nèi)部，外支架則起到對(duì)電池箱的加固作用。鋰離子電池包分為兩種結(jié)構(gòu)：“T”型和平板型，見圖1。“T”型電池包安裝在前排座椅中間和后排座椅的下方，其有一部分距離車體外殼較遠(yuǎn)，有效避免車體兩側(cè)外力的擠壓，但也有車體后方受到碰撞后電池包起火的事故發(fā)生。平板型電池包則安裝在整個(gè)車體的下方，增大了車廂內(nèi)部空間，提高了乘客舒適度，但其貼近地面，更易受到特殊路面情況的影響。因此，基于電池包的基本結(jié)構(gòu)和受力情況，需要對(duì)電池包進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)[1]。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)示意圖

2 電池包支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

2.1 電池包載荷工況確定

為了能在開發(fā)早期掌握電池包結(jié)構(gòu)耐久性能，必須首先確定電池包的典型載荷工況并獲取相應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)?；谟脩絷P(guān)聯(lián)獲得車輛的實(shí)際行駛工況，進(jìn)而采集相應(yīng)的載荷用來對(duì)整車及零部件耐久性能進(jìn)行驗(yàn)證，基于以上考慮同時(shí)兼顧更多用戶使用工況，電池包全生命周期工況選擇整車綜合耐久工況，通過試驗(yàn)場各個(gè)典型路面采集加速度載荷，并根據(jù)規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)編輯處理最終確定目標(biāo)譜。

2.2 電池包的支架設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的電池包支架材料以鋁合金為主，極少數(shù)使用復(fù)合材料。在電池包遭受撞擊和振動(dòng)時(shí)，支架可以保護(hù)電池包整體結(jié)構(gòu)不受破壞，因此，對(duì)電池包支架進(jìn)行校核及優(yōu)化至關(guān)重要。參考實(shí)際工況對(duì)支架進(jìn)行受力分析，一般結(jié)合試驗(yàn)測試和仿真分析。對(duì)電池包進(jìn)行載荷為50g的沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)支架無明顯變形，因此在仿真分析時(shí)將沖擊載荷增加了10%。在3次+Y方向的沖擊中，+Y側(cè)支架的最大變形和峰值位移不斷增加，因此在支架上下梁分別增加了兩個(gè)加固卡扣來提高支架穩(wěn)定性。進(jìn)行電動(dòng)汽車后部偏心碰撞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電池包后半部分存在明顯變形，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了電池包模型，并且優(yōu)化了電池包后方側(cè)面的縱向梁以防止電池包整體上沖，對(duì)比碰撞側(cè)電池箱底板的變形曲線，優(yōu)化后的電池組變形量減少了30%左右。利用有限元軟件設(shè)計(jì)電池包支架結(jié)構(gòu)，可以為電池包支架設(shè)計(jì)提供參考[2]。設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了一個(gè)兩層裝支架，仿真電池包支架彎曲和制動(dòng)工況下的應(yīng)力和位移，在彎曲和制動(dòng)工況下支架上端的位移分別為3．55mm和11．97mm，可以通過增加支架上端中間支撐梁的數(shù)量來減小支架上端的位移。提出支架兩個(gè)橫梁之間增加了短縱梁的方案，并針對(duì)三種工況：①X方向和-Z方向施加5和10m/s2加速度；②Y方向和-Z方向施加4和10m/s2加速度；③-Z方向施加30m/s2加速度，仿真分析支架改進(jìn)前后的應(yīng)力分布，改進(jìn)后的支架最大應(yīng)力分別下降了8．9%、6．3%和14．5%。改進(jìn)前后的電池包如下圖2所示。

圖2 改進(jìn)前后電池組結(jié)構(gòu)、其Y方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖及位移變形云圖

2.3 電池包的外殼設(shè)計(jì)

將外殼側(cè)面吊耳由原來的斜面改成垂直面，增大外殼與剛性壁面的接觸面積，提高了外殼的抗擠壓能力。優(yōu)化電池包外殼易發(fā)生共振區(qū)域的剛度可以提高其固有頻率。對(duì)電池包外殼頂板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的頂板中間區(qū)域和四個(gè)角存在凹陷，中間凹陷兩側(cè)有兩個(gè)對(duì)稱三角形的凸包。對(duì)電池包的頂板進(jìn)行局部設(shè)計(jì)，增加類似的凸包加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，包括左右兩側(cè)的E型凸包和前后的矩形凸包。

3 結(jié)語

根據(jù)碰撞工況下電池包外殼的變形結(jié)果，對(duì)易變形區(qū)域進(jìn)行壁板加厚，而針對(duì)振動(dòng)工況，一般通過改變外殼結(jié)構(gòu)中易出現(xiàn)共振區(qū)域的形狀或者厚度，提高外殼固有頻率，提高電池包外殼的抗振動(dòng)性能[3]。