車載動(dòng)力電池包的有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)*

魯春艷，田 菲，萬(wàn)長(zhǎng)東

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215100)

0 引言

隨著世界能源的逐漸匱乏和環(huán)境污染的日益加劇，輕量化成為節(jié)能減排的重要途徑。試驗(yàn)表明，對(duì)于新能源純電動(dòng)汽車而言，汽車整備質(zhì)量每減少10%,耗電下降5.5%，續(xù)航里程增加5.5%，同時(shí)汽車質(zhì)量的降低可減小汽車制動(dòng)距離，提高汽車的行駛安全性。動(dòng)力電池包作為電池的承載和防護(hù)機(jī)構(gòu)，在整車中占據(jù)重要位置，其整備質(zhì)量占整車質(zhì)量的 20%～30%，具有較大的輕量化空間，同時(shí)對(duì)于電池包能量密度的要求逐步提高，對(duì)動(dòng)力電池包輕量化提出了更高的要求。

為了滿足企業(yè)對(duì)提高汽車動(dòng)力性能和降低成本的要求，本文在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1 電池包有限元模型的建立

電池包原始結(jié)構(gòu)如圖1所示，由上蓋、電池模組、框架、下殼體和吊耳等組成，其他電器設(shè)備略去。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)

將電池包的幾何模型導(dǎo)入到Hypermesh中，對(duì)電池包模型進(jìn)行幾何清理，在不影響計(jì)算的情況下，可酌情去掉一些小倒角、小圓角、小孔等，以簡(jiǎn)化網(wǎng)格。由于上蓋采用復(fù)合材料液壓成型，下殼體、框架、吊耳由鋼板沖壓而成，因此采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

為了減少計(jì)算量，將電池模組以質(zhì)量點(diǎn)的形式進(jìn)行加載，①、②、③號(hào)電池模組質(zhì)量均為22.9 kg，④、⑤號(hào)電池模組質(zhì)量均為19.2 kg,⑥、⑦、⑧號(hào)電池模組質(zhì)量均為21 kg，加載后如圖2所示。

圖2 電池模組的加載

電池包上蓋和下殼體通過(guò)螺栓連接，車身與電池箱體在吊耳處也通過(guò)螺栓連接，均采用RBE2單元進(jìn)行模擬；電池包下殼體與框架、電池包下殼體與吊耳通過(guò)焊接連接，采用 ACM 單元來(lái)模擬焊點(diǎn)連接。最終離散成93 623個(gè)節(jié)點(diǎn)和91 328個(gè)單元，如圖3所示。電池包各部件材料參數(shù)如表1所示。

表1 電池包各部件材料參數(shù)

圖3 電池包有限元模型

2 電池包靜力學(xué)分析

2.1 典型工況的選取

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析主要是用來(lái)分析在給定載荷下結(jié)構(gòu)的形變、應(yīng)力和應(yīng)變等響應(yīng)。對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行靜力學(xué)分析是為了計(jì)算出電池包在各種載荷工況下的最大變形、最大應(yīng)力值及應(yīng)力分布情況，確定應(yīng)力、應(yīng)變的危險(xiǎn)部位，為后續(xù)動(dòng)力電池包的輕量化及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[1]。

車輛在行駛中受到的載荷相當(dāng)復(fù)雜，為了盡可能準(zhǔn)確地反映車輛在行駛過(guò)程中電池包的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)情況，選取車輛行駛時(shí)的垂向顛簸、顛簸路面緊急轉(zhuǎn)彎、顛簸路面緊急制動(dòng)3種典型工況來(lái)對(duì)電池包進(jìn)行靜力學(xué)分析[2]。具體工況要求如表 2所示。

表2 3種工況要求

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

由于電池包體是通過(guò)吊耳用螺栓固接在車身上的，因此對(duì)吊耳螺栓孔處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全約束，按表2的工況要求施加載荷。經(jīng)過(guò)計(jì)算，各工況下電池包的應(yīng)力及變形分析結(jié)果如表3所示。

表3 3種工況下電池包應(yīng)力及形變分析結(jié)果

從表3中可以看出，在顛簸路面轉(zhuǎn)彎工況下電池包承受的應(yīng)力最大，位于框架擋板的折彎處，如圖4所示，最大值為128.5 MPa，雖然小于框架材料的屈服強(qiáng)度195 MPa，但是應(yīng)力非常集中，當(dāng)車輛劇烈顛簸時(shí)，容易引起斷裂失效，因此可對(duì)其進(jìn)行倒圓角處理或者改變其結(jié)構(gòu)形式去掉折彎部分，使其承受載荷分布均勻，應(yīng)力分散。

圖4 顛簸路面轉(zhuǎn)彎工況電池包應(yīng)力云圖

從表3中可以看出，顛簸路面制動(dòng)工況時(shí)上蓋形變最大，最大值為2.235 mm，位于上蓋前部，如圖5所示。上蓋形變雖然小于電池包變形極限值3 mm，但在極限工況時(shí)，上蓋變形過(guò)大會(huì)導(dǎo)致上蓋與電池模組發(fā)生干涉。因此須提高上蓋前半部分的剛度，可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行形貌優(yōu)化或者對(duì)厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

圖5 顛簸路面制動(dòng)工況電池包變形云圖

從表3中可以看出，顛簸路面轉(zhuǎn)彎工況下殼體變形最大，最大值為0.670 3 mm，位于下殼體中部，如圖6所示。由于殼體兩端承載電池模組，因此中部變形最大。下殼體形變量小于極限值3 mm，表明下殼體的剛度符合要求。

圖6 顛簸路面轉(zhuǎn)彎工況下殼體變形云圖

3 電池包模態(tài)分析

對(duì)電池包進(jìn)行模態(tài)分析可以獲得電池包系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型，并預(yù)測(cè)電池包在各種工況下受到外部激勵(lì)時(shí)的振動(dòng)情況，防止動(dòng)力電池包在汽車行駛過(guò)程中與車身底盤等發(fā)生共振現(xiàn)象或與路面激勵(lì)產(chǎn)生共振，還可為電池包的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。模態(tài)分析的邊界條件為約束吊耳螺栓孔處節(jié)點(diǎn)的全部自由度。計(jì)算得到電池包前6階固有頻率，如表4所示。

表4 電池包約束模態(tài)前6階固有頻率

汽車行駛時(shí)，主要激振頻率在10 Hz～30 Hz之間，為了使電池低階頻率與其解耦，原則上需要與激振頻率之間錯(cuò)開3 Hz 以上，因此要求電池箱體的1階固有頻率大于33 Hz[3]。由表4可知，電池包前3階固有頻率均低于33 Hz。為了避開激振源頻率，需要對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖7～圖9為電池包前3階模態(tài)振型。由圖7～圖9可知，前3階振型幅值比較大，說(shuō)明在這些激勵(lì)頻率下電池包產(chǎn)生的響應(yīng)大于高頻，從模態(tài)振型云圖來(lái)看，前3階共振區(qū)域均在電池包上蓋，因此須對(duì)電池包上蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

對(duì)于f2的分析如下，每個(gè)電子都受到垂直于導(dǎo)線的分力f2，而導(dǎo)體棒受到向左的力F總則是這些分力f2的合力。我們可以先假設(shè)該導(dǎo)體棒的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其橫截面積為S，在單位體積內(nèi)的電荷數(shù)為n，且做定向運(yùn)動(dòng)的自由電子的電量為e。

圖7 電池包第1階模態(tài)振型

圖8 電池包第2階模態(tài)振型

圖9 電池包第3階模態(tài)振型

4 電池包形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 形貌優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

形貌優(yōu)化主要應(yīng)用于板殼結(jié)構(gòu)，是在約束條件下尋找板殼結(jié)構(gòu)最優(yōu)的加強(qiáng)筋形狀和布置位置。

形貌優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型描述如下：

其中：ei為單元節(jié)點(diǎn)在給定設(shè)計(jì)空間上的位移；C為結(jié)構(gòu)的柔度；U為載荷工況下單元節(jié)點(diǎn)的位移；K為優(yōu)化單元節(jié)點(diǎn)位移后的結(jié)構(gòu)剛度；D為給定的單元節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的上限值。

4.2 電池包上蓋形貌優(yōu)化

由前面的分析可知，電池包上蓋形變較大，且前3階共振區(qū)域均在電池包上蓋，因此需對(duì)電池包上蓋進(jìn)行形貌優(yōu)化，將上蓋底面設(shè)為設(shè)計(jì)區(qū)域，其余部分設(shè)為不可設(shè)計(jì)區(qū)域，如圖10所示。

圖10 電池包形貌優(yōu)化有限元模型

以設(shè)計(jì)區(qū)域單元的應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)的位移變化為設(shè)計(jì)變量，根據(jù)前面的靜力學(xué)分析結(jié)果和模態(tài)分析結(jié)果，約束前3階模態(tài)大于33 Hz，電池包最大形變小于2 mm，電池包最大應(yīng)力小于130 MPa。以整個(gè)電池包系統(tǒng)應(yīng)變能最小作為目標(biāo)函數(shù)，上蓋起筋參數(shù)設(shè)置如下:最小肋寬為16 mm(一般為單元寬度的1.5倍～2倍)，起肋角為75°，起筋高度為10 mm，選取起肋模式為線性(linear)[4-6]。經(jīng)優(yōu)化迭代后，得到優(yōu)化的電池包上蓋加強(qiáng)筋布局，如圖11所示。

圖11 電池包拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)

5 電池包結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

5.1 電池包上蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)形貌優(yōu)化結(jié)果以及制造工藝要求對(duì)電池包上蓋進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)的模型如圖12所示。在上蓋上方成型出了強(qiáng)化壓痕，以增加上蓋的剛度，并提高初級(jí)模態(tài)頻率，同時(shí)將上蓋的厚度由2.5 mm減薄到2 mm。

圖12 電池包上蓋第一次設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

5.2 框架擋板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

圖13 原擋板結(jié)構(gòu)

圖14 改進(jìn)后的擋板結(jié)構(gòu)

5.3 框架厚度尺寸的設(shè)計(jì)

由圖4的計(jì)算結(jié)果可知，除了擋板因折彎處應(yīng)力比較集中外，整個(gè)框架的其他部位應(yīng)力最大值不超過(guò)57 MPa,而框架材料的屈服極限為195 MPa，因此可對(duì)框架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，將其厚度從1.5 mm減為1 mm。

6 電池包結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證

根據(jù)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)和尺寸，重新建立了電池包的有限元模型，對(duì)改進(jìn)后的電池包進(jìn)行靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分析，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 電池包結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后分析結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)上蓋進(jìn)行形貌優(yōu)化，不僅使得各工況下上蓋的最大形變量大幅度減小，還提高了電池包前3階的固有頻率，避開了激振源頻率；由于對(duì)擋板折彎處進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使得各工況的最大應(yīng)力減少到110 MPa左右，優(yōu)化了折彎處的應(yīng)力分布，改善了電池包的整體性能；同時(shí)電池包箱體的質(zhì)量由原來(lái)的62.76 kg減少至 57.32 kg，質(zhì)量減輕了8.67%，達(dá)到了電池包設(shè)計(jì)輕量化目標(biāo)。

7 結(jié)論

(1)基于變密度法，建立了基于柔度最小的電池包上蓋形貌優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了電池包上蓋的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)框架擋板折彎處進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改善了折彎處應(yīng)力集中的情況，提高了電池包的整體性能。

(3)根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)上蓋以及框架厚度進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，減輕了電池包箱體的質(zhì)量。

(4)通過(guò)對(duì)改進(jìn)前、后電池包結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行對(duì)比分析，改進(jìn)后的電池包強(qiáng)度、剛度均大幅提高，低階頻率提高，電池包結(jié)構(gòu)更加合理，證明了優(yōu)化的可行性。

(5)為電池包類零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。