純電動(dòng)汽車電池包結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

胡 兵

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025)

近幾年，我國電動(dòng)汽車的銷售市場在經(jīng)歷了穩(wěn)定快速增長的階段，2014—2015年期間的增長率達(dá)到100%～300%[1]，2019上半年的汽車保有量達(dá)到了344萬輛。汽車的質(zhì)量每減少10%，電耗下降5.5%，續(xù)航能力增加5.5%[2]，而電動(dòng)汽車的核心部件則是電池包，占整車質(zhì)量的30%～40%，因此減少動(dòng)力電池包質(zhì)量是增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航歷程最主要也是最高效的措施[3]。電池包箱體作為純電動(dòng)車輛電池模組的承載體，在復(fù)雜路況條件下受到激勵(lì)、沖擊和擠壓時(shí)可能會(huì)引起電池包的爆炸，因此其結(jié)構(gòu)是否安全會(huì)直接影響到整車的安全性能[4]，電池包的輕量化要基于電池包箱體結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。汽車電池包輕量化主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化[5]，其中材料優(yōu)化方面有著重要的研究意義，如目前先進(jìn)的碳纖維材料，有著密度低且剛度大的優(yōu)點(diǎn)[6]，如果在電池包的制造上使用，可以極大地降低電池包的質(zhì)量，在安全的前提下達(dá)到輕量化的目的。

GB/T 31467.3-2015文件中對(duì)電池包有著16項(xiàng)安全測試要求[7]，其中抗壓性和抗振動(dòng)安全測試占據(jù)主要部分，目前國際上對(duì)電池包的研究大多數(shù)停留在電池的儲(chǔ)存量和體積大小，對(duì)電池的抗壓性和抗振動(dòng)性的研究很少。本文采用CAE的手段，利用soildworks三維建模軟件建立一個(gè)鋰電池包的模型后，根據(jù)電池包的實(shí)際情況設(shè)置邊界條件(夾具，力)，進(jìn)行有限元分析后，得出將汽車電池包輕量化的措施，對(duì)汽車電池包的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。

1 有限元模型建立

電池包的有限元模型建立是根據(jù)GB/T 31467.3-2015文件中的條件而進(jìn)行。本文所研究的電池包以小型電動(dòng)汽車的電池包為例，按照現(xiàn)有的電池包產(chǎn)品，利用solidworks三維建模軟件建立兩種不同結(jié)構(gòu)的電池包模型，如圖1電池包三維模型所示。圖1(a)電池包頂部設(shè)置有3根類似加強(qiáng)筋，圖1(b)電池包頂部則有5根類似加強(qiáng)筋，類似加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)在確保電池包受到汽車內(nèi)部零部件的壓力作用時(shí)能夠有足夠的強(qiáng)度和剛度，避免外部的壓力使得電池包內(nèi)部的電子元件受損。電池包的底部為平整的平面，底部不設(shè)置類似加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的原因是在電池包安放在電動(dòng)汽車底盤處時(shí)，保證電池包的良好穩(wěn)定性，不會(huì)因汽車的振動(dòng)，電池包隨之振動(dòng)。類似加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)在電池包頂部需設(shè)置均勻，保證受到的壓力可以均勻分散，不會(huì)因?yàn)槟滁c(diǎn)壓力過大而導(dǎo)致電池包破裂。

圖1 電池包三維模型

1.1 有限元網(wǎng)格以及邊界條件

新能源電動(dòng)汽車電池包采用一體化整包設(shè)計(jì)，IP67密封，電池包分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主要為有電池管理系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，可有效保護(hù)電池包安全。外部為一些高剛度、高硬度的殼體，可有效地保護(hù)電池包內(nèi)部元件。電池包內(nèi)部元件在電池包中地占比較大，本文的CAE仿真研究中，為了簡化三維模型的構(gòu)建和減少仿真的運(yùn)算時(shí)間，將內(nèi)部的電子元件整合成一個(gè)整體，采用六面體實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，外部的殼體采用殼網(wǎng)格進(jìn)行劃分，這樣能夠保證在仿真的過程中外部的力可以透過表面對(duì)內(nèi)部進(jìn)行作用。

1.2 邊界條件設(shè)置

Solidworks的simulate功能需要設(shè)置外載荷和夾具，連結(jié)等邊界條件。在已有的對(duì)電池包有限元仿真相關(guān)研究中，國內(nèi)外大多數(shù)采用的是一體化網(wǎng)格，并沒有區(qū)別電池包內(nèi)部和外部，這樣就導(dǎo)致內(nèi)部與外部的網(wǎng)格類型相同，在仿真的過程中，其真實(shí)性會(huì)大打折扣，因此本文在三維的時(shí)候，盡可能地貼近電池包真實(shí)的結(jié)構(gòu)，所以按照外部殼和內(nèi)部固體元件的方式進(jìn)行建模。外部殼體底部安放在電動(dòng)汽車的底盤上，因此夾具需要設(shè)置在電池包底部的殼體上，將殼體進(jìn)行幾何體約束，模擬其被固定在底盤電池包安裝槽處。上部殼體與下部殼體在實(shí)際情況下通常采用上下焊接，在CAE仿真中，并沒有焊接的選項(xiàng)，在仿真研究的過程中，劃分網(wǎng)格之后，采用剛性連接來模擬焊接。由于電池包的結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，為六面體，因此使用標(biāo)準(zhǔn)的六面體網(wǎng)格即可以進(jìn)行劃分，為了使仿真的結(jié)果更加貼合實(shí)際，盡可能地將網(wǎng)格的體積縮小，使電池包三維模型可以劃分成更多的網(wǎng)格，再受力的時(shí)候，可能更加準(zhǔn)確的仿真出電池包每個(gè)點(diǎn)的受力情況。電池包外殼的材料為PP均聚物(彈性模量1.73e+9 N/m2，泊松比默認(rèn)為0，壓縮強(qiáng)度3.93×107N/m2，質(zhì)量密度933 kg/m3)。

1.3 網(wǎng)格劃分

為了使仿真的過程簡化，將電池包看成內(nèi)部實(shí)體和外部殼體兩部分，殼體需采用有厚度的殼網(wǎng)格，若采用實(shí)體網(wǎng)格，可能會(huì)在仿真的過程中造成計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤的概率加大。由于殼體表面曲面較多，若采用標(biāo)準(zhǔn)的六面體網(wǎng)格，則會(huì)造成六面體網(wǎng)格劃分出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此采用基于曲率的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，而內(nèi)部實(shí)體網(wǎng)格，因形狀較為規(guī)整，所以采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格，網(wǎng)格的質(zhì)量選用良好這一標(biāo)準(zhǔn)，最大六面體網(wǎng)格的最大邊長設(shè)定為1.231 cm，最小六面體網(wǎng)格的最小邊長設(shè)定為0.321 cm，單元大小增長比率為1.3，如圖2，兩種結(jié)構(gòu)的電池包網(wǎng)格劃分圖所示。

圖2 兩種結(jié)構(gòu)的電池包網(wǎng)格劃分圖

2 電池包受力分析

電池包在汽車靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，除了電池包底部受到支撐力外，其他地方通常不受到外力的作用，因此本文主要研究的是汽車在行進(jìn)過程中或者發(fā)生汽車碰撞事故中，電池包的受力情況，以便于在輕量化后能夠檢測電池包的安全穩(wěn)定性。汽車在發(fā)生碰撞時(shí)，由于汽車的固有慣性作用，電池包會(huì)朝著汽車前進(jìn)的方向移動(dòng)，因此電池包的側(cè)面將會(huì)受力很大的擠壓作用力。除碰撞的情況外，當(dāng)汽車駛過較不平整的路段時(shí)，汽車內(nèi)部的部件可能會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其他零部件對(duì)電池包的頂部造成擠壓。本文基于此兩種電池包可能受到損傷的實(shí)際情況展開有限元分析，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)使電池包輕量化的同時(shí)，要保證其不會(huì)受到外界的較強(qiáng)破壞。

3 仿真結(jié)果

3.1 側(cè)面碰撞抗壓仿真

本仿真實(shí)驗(yàn)的擠壓力來自于1 t的電動(dòng)汽車以60 km/h的速度行駛，在2 s內(nèi)從60 km/h的速度降低到0的加速度計(jì)算，擠壓力大約為8 300 N，如圖3所示，當(dāng)電池包收到側(cè)面的擠壓作用力時(shí)，電池包頂部的類似加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)并沒有起到實(shí)際的作用，側(cè)面最大位移為4.008e-01 mm，幾乎等于受到擠壓變形，因此在汽車以8.33 m/s2的加速度進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，汽車其他零部件對(duì)于電池包側(cè)面的抗壓對(duì)電池包內(nèi)部的元件造成的損害較小。

圖3 側(cè)面碰撞抗壓仿真結(jié)果圖

3.2 頂部擠壓仿真實(shí)驗(yàn)

如圖4所示，圖4(a)和圖4(b)均為頂部受到3 000 N的電池包位移云圖，圖4(b)比圖4(a)在頂部外殼上減少了2個(gè)類似加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，圖4(a)頂部位移最大為4.61e-02 mm，而圖4(b)頂部位移最大為1.335e-01 mm，雖然減少了類似加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)后，頂部受到的凹陷程度加大，但相比于電池包的整體尺寸，其頂部最大位移可以忽略不計(jì)。電池包在對(duì)外殼的機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化后，其抗壓強(qiáng)度的減小并不明顯，但對(duì)電池包輕量化有著很重要的意義。

圖4 頂部擠壓仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 電池包輕量化

隨著目前消費(fèi)者對(duì)新能源汽車的續(xù)航能力要求越來越高，電池包的優(yōu)化在新能源電動(dòng)汽車中占據(jù)了很重要的地位，電池電量需求的增大，隨之帶來的是電池包體積的增大和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，在電動(dòng)汽車電池包的優(yōu)化方案中，除了材料的優(yōu)化，比較鋼制的電池箱體能夠減重30%以上，相較于鋁壓鑄電池箱體而言能夠成型更大尺寸的電池箱體，適應(yīng)較大的電池容量[8]，除此之外的方案則是本文所研究討論的對(duì)電池包結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化雖然沒有材料優(yōu)化對(duì)電池包輕量化產(chǎn)生的效果顯著，而且與國外的有一定差距[9]，但是對(duì)于材料的研究，結(jié)構(gòu)優(yōu)化在輕量化的實(shí)現(xiàn)上更加簡單[10-12]。

5 總結(jié)

目前鋰電池的生產(chǎn)技術(shù)并不完善，電容量大的鋰電池相應(yīng)的其質(zhì)量和體積也大，因此對(duì)電池包結(jié)構(gòu)輕量化的研究有著重要的意義。本文采用soildworks三維建模軟件建立一個(gè)鋰電池包的模型后，根據(jù)電池包的實(shí)際情況設(shè)置邊界條件，進(jìn)行有限元分析，得出如何汽車電池包輕量化的措施，對(duì)汽車電池包的實(shí)用性和安全性發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。