車載動力電池包有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉娜，高媛媛，崔長青，劉鵬，王成諾，劉永輝

1.山東建筑大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 濟南 250101；2.運輸車輛檢測、診斷與維修技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山東 濟南 250357；3.山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 濟南 250357

0 引言

近年來環(huán)境污染愈發(fā)劇烈，能源問題愈發(fā)嚴(yán)重，傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)展逐漸受限[1]。為保證交通運輸能力、改善環(huán)境能源，大力發(fā)展高效無污染、使用便捷的電動汽車成為有效措施之一。電池包作為電動汽車的唯一動力源，是電動汽車的核心[2]，在其整體的能量密度無法提升的前提下，大多電動車研發(fā)公司通過增加電池單體的數(shù)量來提高電動車的續(xù)航時間和性能[3]，但導(dǎo)致電池包質(zhì)量增大，動力性不能大幅提高。為改善汽車動力性及安全性，整體結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化改進(jìn)及新型材料的生產(chǎn)逐漸成為主要研究方向[4]。動力電池包作為電動汽車的核心部件之一，其質(zhì)量占整車質(zhì)量的20%～30%，優(yōu)化車載動力電池包結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)電池包輕量化的重要途徑之一[5]。

本文中在有限元分析的基礎(chǔ)上對動力電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化改進(jìn)，建立動力電池的有限元模型，保證電池包結(jié)構(gòu)在不同工況下具有足夠的強度和剛度，利用尺寸優(yōu)化技術(shù)改進(jìn)電池包結(jié)構(gòu)，選取最優(yōu)方案使其滿足系統(tǒng)需求。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化有限元模型

1.1 有限元模型建立

以某電動汽車動力電池包為例進(jìn)行實物建模。本文中的電池包主要由上殼體、下殼體、電池管理系統(tǒng)、吊耳、電池模組、線束等部件組成，懸掛在底盤下方，總質(zhì)量為236.16 kg，電池包結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文中對動力電池包整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量及固有頻率影響較小的因素進(jìn)行簡化,建立相應(yīng)的三維模型，電池包簡化模型如圖2所示。

圖1 動力電池包結(jié)構(gòu) 圖2 電池包簡化模型

網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置如表1所示。殼體部分采取抽中面的方式劃分殼單元網(wǎng)格，最終獲得287 629個節(jié)點、95 034個單元，電池包簡化后模型有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。根據(jù)動力電池包實物材料屬性，下殼體與吊耳由DC01板液壓成型，上殼體由復(fù)合材料(SMC)液壓成型[6]。

表1 網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置表

圖3 電池包簡化模型網(wǎng)格劃分

1.2 有限元模型優(yōu)化方案

主要針對降低質(zhì)量對電池包進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[7-8]，通常將實體模型進(jìn)行簡化[9]。本文中利用有限元軟件分析優(yōu)化后的受力情況，判斷是否符合強度、剛度要求。改變影響電池包質(zhì)量和模態(tài)的主要參數(shù)如電池包外殼厚度、底殼結(jié)構(gòu)以及四周吊耳上部厚度等，設(shè)計2種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

方案一為將電池包底殼減薄2 mm，并于底殼中部增加厚度為2 mm的縱、橫2條加強筋，該方案模型與原模型相比質(zhì)量減少8%，電池包簡化模型如圖4所示。方案二為將電池包底殼減薄1 mm，并在電池包底殼均勻?qū)ΨQ布置30個矩形凹槽，該方案模型與原模型相比質(zhì)量減少6%，電池包簡化模型如圖5所示。

圖4 方案一電池包簡化模型 圖5 方案二電池包簡化模型

優(yōu)化模型與網(wǎng)格劃分后，方案一的網(wǎng)格平均正交質(zhì)量比為0.74，方案二的網(wǎng)格平均正交質(zhì)量比為0.71，結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格正交質(zhì)量比直接影響求解時間及求解結(jié)果的正確性，網(wǎng)格正交質(zhì)量比理想狀態(tài)為1，通常要求平均網(wǎng)格正交質(zhì)量比不低于0.7[10]，因此2個方案的網(wǎng)格正交質(zhì)量比均滿足要求，可保證求解結(jié)果的正確性。

2 約束模態(tài)分析

結(jié)合電池包的實際安裝位置及方式，該電池包通過電池包殼體周圍分布的8個吊耳懸掛于汽車底盤下方，采用Cylinder Support約束方式，約束位置如圖6所示。

圖6 約束位置

在完成上述設(shè)置后，在模態(tài)分析界面中利用Lanczos[11]模態(tài)疊加法提取電池包前3階模態(tài)的振型及變形分布，不同方案下約束模態(tài)分析結(jié)果及振型描述如表2所示。

表2 不同方案下電池包前3階頻率及振型

根據(jù)常見的路面類型對電池包激勵的波長，可知常見激勵頻率最大的路面為碎石路面，頻率為69.44 Hz[12-13]。方案一的1階模態(tài)頻率為67.361 Hz，電池包結(jié)構(gòu)在某些工況下使用時將受到限制；方案二的1階模態(tài)頻率為77.387 Hz，滿足電池包結(jié)構(gòu)使用需求。與原模型相比，方案二的1階模態(tài)升高，方案一的1階模態(tài)有所降低；方案二在汽車正常行駛過程中不會發(fā)生共振，即該電池包結(jié)構(gòu)改進(jìn)合理且具有足夠剛度抵抗變形,因此，選擇方案二的優(yōu)化方式。

3 急轉(zhuǎn)彎工況下的靜力學(xué)分析

3.1 顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況

汽車在復(fù)雜工況時不直接承受外力的刺激，而是承受由電池包內(nèi)的結(jié)構(gòu)件在汽車各種工況下產(chǎn)生的慣性作用力[14]。因顛簸路面對電池包影響較大[15]，因此本文中選擇顛簸路面且急轉(zhuǎn)彎時的組合工況對電池包進(jìn)行靜力學(xué)分析，保證優(yōu)化方案的可靠性。

對電動汽車行駛工況下最大受力情況分別進(jìn)行求解分析，工況計算加載方式如表3所示，表中g(shù)為自由落體加速度，g=9.8 m/s2。

表3 電池包計算加載情況g

3.2 原模型有限元計算結(jié)果

當(dāng)電動汽車在顛簸路面以80 km/h的速度急轉(zhuǎn)彎時，電池包整體存在橫向加速度和垂向慣性加速度，仿真計算該工況下原電池包應(yīng)力與位移分布如圖7所示(圖中應(yīng)力單位為MPa，位移單位為mm)。

a)應(yīng)力云圖 b)位移云圖 圖7 原模型顛簸路面、急轉(zhuǎn)彎工況時應(yīng)力與位移云圖

由圖7可知：顛簸路面、急轉(zhuǎn)彎工況時，原模型電池包的最大應(yīng)力為192.74 MPa，位于電池包右前側(cè)吊耳處，小于DC01材料屈服強度210 MPa；最大變形為0.399 mm，位于上殼體中心。

3.3 優(yōu)化后模型有限元計算結(jié)果

與原模型處在同樣工況下，計算得到的方案二電池包應(yīng)力及位移云圖如圖8所示(圖中應(yīng)力單位為MPa，位移單位為mm)。

a)應(yīng)力云圖 b)位移云圖圖8 方案二顛簸路面、急轉(zhuǎn)彎工況時應(yīng)力與位移云圖

由圖8可知：顛簸路面、急轉(zhuǎn)彎工況下，方案二電池包的最大應(yīng)力為175.08 MPa，位于電池包左前側(cè)吊耳處，小于DC01材料屈服強度210 MPa；變形最嚴(yán)重區(qū)域位于上殼體中心，為0.207 mm，該電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化后滿足顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況下的強度需求。

與原模型對比，方案二急轉(zhuǎn)彎工況下的最大應(yīng)力減少17.66 MPa，起步時電池包最大變形減少0.192 mm，可有效降低最大應(yīng)力及電池包變形，有利于延長電池包的使用壽命。

4 結(jié)論

設(shè)計2種電池包輕量化方案，對電池包模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，對比前3階頻率及振型；對急轉(zhuǎn)彎工況下原方案和方案二的電池包模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到方案二與原模型的最大應(yīng)力和變形位移分布。

1)基于有限元計算結(jié)果，原電池包質(zhì)量為236.16 kg，與原模型相比，方案一電池包質(zhì)量減少8%，方案二電池包質(zhì)量減少6%。

2)基于2種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有限元模型進(jìn)行了約束模態(tài)的仿真分析，提取前3階模態(tài)頻率及變形情況，方案一的1階模態(tài)為67.361 Hz，該結(jié)構(gòu)的電池包使用工況有局限性；方案二的1階模態(tài)為77.387 Hz，該結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，滿足要求。

3)方案二在顛簸路面、急轉(zhuǎn)彎時最大應(yīng)力為175.08 MPa，與原模型相比，減少了17.66 MPa；最大變形減少0.192 mm，1階模態(tài)頻率增加1 Hz，滿足電池包結(jié)構(gòu)使用需求。