某型商用車動力電池托架的輕量化設計

喬鵬程，李海豐*，王 戎

某型商用車動力電池托架的輕量化設計

喬鵬程1，李海豐*1，王 戎2

（1.湖北汽車工業(yè)學院材料科學與工程學院，湖北 十堰 442002；2.東風華神汽車有限公司，湖北 十堰 442002）

文章利用三維軟件建模和ANSYS Workbench有限元分析，從材質(zhì)選用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝分析三方面對某商用動力電池托架進行了輕量化研究，根據(jù)有限元分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，最終選用玻纖增強聚丙烯復合材料，采用整體式、中心位置設置橫向框架的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了相比原金屬材質(zhì)托架減重27%的效果。利用Moldflow，通過填充分析、頂出分析等調(diào)整優(yōu)化得到較優(yōu)的工藝參數(shù)。

有限元分析；電池托架；輕量化

引言

在全球氣候變暖以及能源危機的形勢下，發(fā)展純電動汽車成為世界各國節(jié)能減排的重要舉措。純電動汽車具有噪音小、能耗低、綠色環(huán)保的優(yōu)點，已逐漸成為汽車行業(yè)中的熱點，但是純電動汽車的動力電池質(zhì)量和體積較大，并且裝載動力電池的托架也過于厚重，這極大地增加純電動汽車的整體重量，而整備質(zhì)量又是影響新能源汽車能耗極其重要的一個因素，因此，對動力電池托架進行輕量化的研究具有重要意義。動力電池托架是承載動力電池的主要結(jié)構(gòu)，一方面其底部支架形成電池組冷卻結(jié)構(gòu)的底部風道，用以確保電池組工作在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)[1-2]，另一方面它作為電池組的支撐結(jié)構(gòu)，保證電池組在工作過程中始終安全可靠。本文來源于動力電池托架的實際生產(chǎn)，主要使用ANSYS Workbench進行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，旨在以塑代鋼實現(xiàn)動力電池托架的輕量化；同時確保托架的承載強度，保證純電動汽車行駛的可靠性和安全性。

1 電池托架結(jié)構(gòu)分析

1.1 電池托架結(jié)構(gòu)形式

某型動力電池托架的總體尺寸長×寬×高=2430mm×935mm×1865mm，其外罩結(jié)構(gòu)使用材料為ABS，現(xiàn)對內(nèi)部金屬材質(zhì)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。圖1為動力電池托架內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，材料采用結(jié)構(gòu)鋼Q235，為空心框架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量為375kg。

圖1 動力電池托架內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 電池托架結(jié)構(gòu)設計

使用通用塑料聚丙烯（PP）和工程塑料尼龍（PA6）及玻纖增強聚丙烯復合材料（PP+GF30）以塑代鋼，材料主要性能見表1。

表1 材料性能特點對比

材料密度/（g/cm3）泊松比拉伸強度/MPa彎曲模量/MPa PP1.050.42322 850 PA61.250.34954 110 PP+GF301.120.44855 183

對原結(jié)構(gòu)進行改進，采用分體式結(jié)構(gòu)，上方采用方管和外殼相連，下方采用三角連接件和車架連接，連接方式均采用螺栓連接。由此設計出三種方案，見表2。

表2 三種結(jié)構(gòu)方案

方案結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征示意圖 1框架強化內(nèi)部圓角設計 2中心設置橫向框架 3頂部和側(cè)面整體連接

2 電池托架有限元分析

2.1 工況設置

動力電池質(zhì)量約為1 740 kg，內(nèi)部四個載物框架均受力4 350 N。由于電動車在實際行駛過程中通過的路面條件復雜，同時，動力電池托架在隨電動汽車行駛過程中所受到的載荷并非直接來自于外界，而是來源于汽車制動、轉(zhuǎn)彎、顛簸等狀況下電池包對電池托架產(chǎn)生的慣性力。所以在研究動力電池托架靜態(tài)受載時，為找出應力分布和位移變化，選取常見典型的極端工況進行分析。動力電池托架通常在汽車顛簸、急剎車等極端工況下的受載較為激烈。選用顛簸路面下的急剎車工況進行研究分析，各載荷參數(shù)見表3。

表3 載荷情況（g=9.8 m/s2）

工況類型X方向（行駛向）Y方向Z方向（重力方向） 工況（顛簸+急剎車）2.0g0g

2.2 有限元分析

當汽車行駛時，底部電池托架主要受自身重力作用的影響，其均勻施加在電池托架與動力電池組接觸面上。通過ANSYS Workbench分析設置工況下的各材料托架的安全系數(shù)與位移，求解結(jié)果見表4。由表4可知方案一的結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)，若采用PP和PA6，三種方案的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)都不能滿足要求，而使用PP+GF30方案一和方案二都能滿足使用要求，因此可以選定材料為PP+GF30，初步優(yōu)選的結(jié)構(gòu)為方案一和方案二。

表4 三種結(jié)構(gòu)方案

方案一方案二方案三 質(zhì)量/kgPP244.3241.5243.7 PA6290.8287.5290.1 PP+GF30260.6257.6259.9 最大位移/mmPP1.521.687.78 PA61.191.336.25 PP+GF300.981.054.96 最小安全系數(shù)PP0.470.370.27 PA60.990.780.63 PP+GF301.601.340.64

3 電池托架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 疲勞壽命分析

疲勞壽命分析的結(jié)果如圖2所示，動力電池托架的疲勞壽命最低處均是在部分拐角處，兩方案的結(jié)構(gòu)區(qū)別在于兩側(cè)的支撐板，其壽命均在200萬次以上。由于方案二的質(zhì)量比方案一小，因此暫定結(jié)構(gòu)為方案二，接下來對部分拐角處進行圓角處理。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

對方案二結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，對部分連接處進行圓角處理，將底部墊塊對稱安裝，改進的結(jié)構(gòu)及有限元分析結(jié)果見表5?？芍倪M后的結(jié)構(gòu)最大位移小、結(jié)構(gòu)剛度好，最小安全系數(shù)為1.23，疲勞壽命也滿足要求。

圖2 方案二疲勞分析結(jié)果

表5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的有限元分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)質(zhì)量/kg最大位移/mm最小安全系數(shù)最小壽命/萬次 左右兩側(cè)為支撐板上下為墊塊中間為載物板2720.951.23258

3.3 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是在給定的設計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的一種優(yōu)化方法[3-4]。拓撲計算時，采用密度法（SIMP法），即將有限元模型設計空間的每個單元的單元密度作為設計變量，其計算方法如下所示：

（）＝ρk （1）

其中：為懲罰剛度矩陣；為實際剛度矩陣；為材料密度；為懲罰因子，≥1。優(yōu)化求解后，單元密度靠近1的位置材料很重要，需要保留；單元密度靠近0的位置材料可以去除，從而實現(xiàn)輕量化設計[5]。首先進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示，然后指定規(guī)定材料和受力條件之后，結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果見圖4，表明深色區(qū)域可進行結(jié)構(gòu)去除與輕量化改進，淺色區(qū)域不可進行結(jié)構(gòu)改造，據(jù)此對結(jié)構(gòu)進行輕量化改進。改進后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量為272 kg，相較于原來使用結(jié)構(gòu)鋼的質(zhì)量375 kg，實現(xiàn)了減重27%的效果。

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

4 成型工藝分析

通過Moldflow對制件進行注塑成型模擬分析確定制件的最佳成型工藝方案，這有助于降低生產(chǎn)成本，提高設計效率?，F(xiàn)以托架結(jié)構(gòu)中受交變載荷為主的支撐板為例進行工藝分析。

充填過程中，注塑時間、流動速率、螺桿速度曲線是對填充進行控制的變量。在初次分析時，按默認選項“自動”進行填充分析，藍色區(qū)域為澆口，結(jié)果見圖5，可以看出在默認條件下無法充滿型腔（圖5(a)四個角有灰白區(qū)域），因此將注射壓力提升到150 MPa，保壓壓力提升到90 MPa，可看出完全充滿型腔（圖5(b)）。

圖5 填充分析

設置冷卻水道時各參數(shù)選定默認參數(shù)，冷卻劑的出入口溫差不應過大。圖6所示為支撐板的平均溫度結(jié)果圖，可以看出溫度分布較為均勻，只有在塑件拐角和型芯處出現(xiàn)最小溫度，對整體結(jié)構(gòu)影響不大，只需在模具設計過程中注意圓角的設計。

圖6 零件平均溫度

圖7(a)為制件達到頂出溫度的時間。頂出時間的差值應盡可能減小以實現(xiàn)均勻冷卻。結(jié)果顯然不符合要求，因此需要調(diào)整冷卻管道直徑、數(shù)量和中心距離，改進結(jié)果如圖7(b)所示，頂出時間分布較均勻。

圖7 達到頂出溫度的時間

5 結(jié)論

動力電池托架材質(zhì)上選用玻纖增強聚丙烯復合材料（PP+GF30），采用整體式、中心位置設置橫向框架的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)相比原金屬材質(zhì)托架減重27%的效果。借助Moldflow進行注塑模擬分析，調(diào)整優(yōu)化出了最佳成型工藝參數(shù)。

[1] 眭艷輝,王文,夏保佳,等.混合動力汽車鎳氫電池組通風結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].汽車工程,2010(32)3:203-208.

[2] 眭艷輝.混合動力車用鎳氫電池組散熱結(jié)構(gòu)研究[D].上海:上海交通大學,2010:21-24.

[3] 馬娜,周新濤,張峰,等.非公路寬體自卸車轉(zhuǎn)向器支架優(yōu)化設計[J].工程機械,2017,48(7):29-32.

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[5] 馬娜,周新濤.某型純電動汽車電池托架結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機械工程與自動化,2019(01) :50-51+54.

Lightweight Design of the Commercial Power Battery Bracket

QIAO Pengcheng1, LI Haifeng*1, WANG Rong2

( 1.College of Materials Science and Engineering, Hubei Automotive Industry Institute, Hubei Shiyan 442002;2.DongFeng Huashen Automobile Co., Ltd., Hubei Shiyan 442002 )

Using 3D software modeling and ANSYS Workbench finite element analysis, from the material selection, structure optimization two aspects of the commercial power battery bracket lightweight research, according to the results of the finite element analysis of the structure topology optimization, the final choice of glass fiber reinforced polypropylene composite material, using an integral, central position set transverse frame structure, compared with the original metal bracket weight reduction of 27%.Using Moldflow, through filling analysis, warpage analysis and so on, the better process parameters can be adjusted to provide the optimized process parameters for the needs of injection products.

Finite element analysis; Battery bracket; Lightweight

U469.72

A

1671-7988(2022)02-53-04

U469.72

A

1671-7988(2022)02-53-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.013

喬鵬程，湖北汽車工業(yè)學院材料科學與工程學院。

李海豐，男，講師，工程師，就職于湖北汽車工業(yè)學院材料科學與工程學院，主要研究方向為汽車輕量化技術。

湖北汽車工業(yè)學院2021年大學生創(chuàng)新訓練計劃項目資助，編號DC2021051。