新能源汽車動(dòng)力電池包的改進(jìn)設(shè)計(jì)與仿真研究

薛 濤

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 滕州 277500）

0 引言

隨著全球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，新能源汽車已經(jīng)成為未來汽車發(fā)展的重要方向。其中，電動(dòng)汽車作為一種綠色、高效、環(huán)保的交通工具[1-3]，已經(jīng)成為新能源汽車領(lǐng)域的重要研究方向。而電池包作為電動(dòng)汽車的核心組件之一，其性能對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程、動(dòng)力性能、安全性等方面都具有重要影響[4-7]。目前，電池包在使用過程中存在著一些問題，例如能量密度不高、充放電速度慢、壽命短、安全性差等。這些問題制約了電動(dòng)汽車的發(fā)展和推廣，也成為新能源汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此，如何改進(jìn)電池包的設(shè)計(jì)，提高其性能已經(jīng)成為新能源汽車領(lǐng)域的一個(gè)重要課題[8-11]。本研究探討新能源汽車電池包的改進(jìn)設(shè)計(jì)，探討如何提高電池包的能量密度、充放電速度、壽命和安全性。這對(duì)于推動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)新能源汽車的普及和推廣，進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)保事業(yè)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整具有重要意義。

1 動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求

本課題設(shè)計(jì)的對(duì)象是一款純電動(dòng)汽車，其整車設(shè)計(jì)要求包括越野車型、四輪分布式驅(qū)動(dòng)功能、輪轂驅(qū)動(dòng)單元采用電機(jī)加輪邊減速機(jī)形式、最高速度為120 km/h、最大續(xù)駛里程為240 km、單電機(jī)額定功率為20 kW、乘員數(shù)為5 人、鋰電池電池容量為36.5 kW·h、功率密度不小于200 W/kg、長寬高為4585 mm ×1855 mm × 1679 mm、軸距為2660 mm、最小轉(zhuǎn)彎半徑為5500 mm，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 整車設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

為了避免電池包外形尺寸和質(zhì)量過大以及內(nèi)部布線復(fù)雜等問題，本設(shè)計(jì)采用多個(gè)模組級(jí)電池箱的設(shè)計(jì)方案。采用5 個(gè)模組級(jí)電池箱的設(shè)計(jì)方案，每個(gè)電池箱由15 組電池塊組成，每個(gè)電池塊由50 個(gè)單體電池并行排列串聯(lián)組成，從而實(shí)現(xiàn)電池模組級(jí)的標(biāo)稱電壓為54 V，電池容量為135 A·h，可以降低電池包的成本和復(fù)雜度，方便加工和維修，能夠滿足電動(dòng)汽車的使用需求。電池包的基本框架如圖1 所示。

圖1 電池包的基本框架

2 動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電池模組結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

在動(dòng)力電池包框架設(shè)計(jì)中，共由5 個(gè)相同規(guī)格的電池箱再次并聯(lián)形成最終的電池包體，其中每5 塊電池塊通過固定支架串聯(lián)在一起，形成一個(gè)電池模組，得到的3 組電池模組螺栓連接固定在電池箱體底部，包括電子線束連接、冷卻水路連接、BMS 電池管理系統(tǒng)以及各大輸出接口構(gòu)成電池箱，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 動(dòng)力電池包模組箱結(jié)構(gòu)圖

2.2 電池包結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

在電池包上蓋的設(shè)計(jì)上，可以采用2 mm 厚的沖壓鈑金件，表面沖壓橫豎凹槽以提高其振動(dòng)固有頻率。在電池包下殼體的設(shè)計(jì)上，可以采用3 mm 厚度的鋼板通過沖壓成型，內(nèi)部焊接加強(qiáng)筋板，提供各組件固定安裝位置，同時(shí)增強(qiáng)整個(gè)電池包的強(qiáng)度與耐振性。

為了降低電池包的重量，可以采用輕量化材料制造托架，可以進(jìn)一步優(yōu)化吊耳連接處的加強(qiáng)肋板和三角形加強(qiáng)肋板的設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)降低材料的使用量。可以考慮將托架分成多個(gè)模塊，方便維護(hù)和更換，完成螺栓緊固方式連接后，使得整個(gè)底盤構(gòu)成一個(gè)平整的整體，進(jìn)一步增加車身車轎結(jié)構(gòu)的承載能力。所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)模型總覽圖見圖3。

圖3 電池包的改進(jìn)結(jié)構(gòu)

3 動(dòng)力電池包性能有限元分析

3.1 模型建立與分析手段

采用CATIA 三維軟件對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行建模，對(duì)其做出相應(yīng)的簡化。在簡化模型的時(shí)候，應(yīng)該忽略的結(jié)構(gòu)有：（1）尺寸規(guī)格很小的倒圓角、凹陷、孔洞以及螺紋特征，在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)其網(wǎng)格大小分配困難，增加網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量和求解工作量；（2）結(jié)構(gòu)中微型階梯式設(shè)計(jì)、小角度凸出、彎折等劃分成一個(gè)平面上，盡量簡便網(wǎng)格劃分，使得組成更為整齊。

3.2 電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

將簡化后的電池模組箱體CATIA 模型另存為Stp 格式，打開Ansys Workbench 的Static Structural模塊，在Geometry 中導(dǎo)入模型文件，材料選擇系統(tǒng)默認(rèn)的結(jié)構(gòu)鋼。進(jìn)入進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為25825，網(wǎng)格數(shù)目為12728。添加邊界條件，限制固定腳支架的定位孔的六個(gè)方向自由度。施加載荷，電池模組箱體頂部施加2 mg 載荷，方向指向z軸負(fù)方向；后部向前施加1 mg 載荷，方向指向x軸負(fù)方向。添加應(yīng)力分布和位移分布。點(diǎn)擊Slove 完成求解，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 動(dòng)力電池包強(qiáng)度分析

分析圖4 可以看出，下箱體頂部的最大變形量為0.41 mm，最大的應(yīng)力則分布與箱體邊緣為14.14 MPa，遠(yuǎn)小于材料的需用應(yīng)力，強(qiáng)度基本符合要求。

3.3 動(dòng)力電池包模態(tài)分析

對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行模態(tài)分析，各階振型以及振動(dòng)頻率如圖5 所示。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該使結(jié)構(gòu)的固有頻率遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)工作時(shí)的頻率，或者不在某階頻率的半功率帶寬內(nèi)。通過有限元模態(tài)分析可獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率以及對(duì)應(yīng)的振型。這樣優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高一階的共振頻率或者強(qiáng)化危險(xiǎn)的截面，具有一定的參考意義。

圖5 各階振型以及振動(dòng)頻率

3.4 動(dòng)力電池包碰撞性能分析

在Ansys Workbench 平臺(tái)建立側(cè)面碰撞情景模型。根據(jù)電池包的安裝位置，在原本外形尺寸條件下等比例建模，電池包的一邊設(shè)置側(cè)面防撞梁等效結(jié)構(gòu)，模擬其保護(hù)電池包的功能，根據(jù)最新的側(cè)碰檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，等效撞擊體的撞擊速度設(shè)定為50 km/h，分析結(jié)果如圖6 所示。模擬側(cè)面碰撞情形下，簡化的電池包以及車身側(cè)部防撞結(jié)構(gòu)在受到強(qiáng)烈的沖擊力下，電池包整體會(huì)發(fā)生劇烈的晃動(dòng)，電池包箱體會(huì)發(fā)生不同程度的彈性變形，并未出現(xiàn)明顯的塑性變形以及破損現(xiàn)象，可以看出強(qiáng)度基本符合要求。

圖6 側(cè)面碰撞情形

4 結(jié)語

基于汽車整體參數(shù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定了電池50 并75 串的基本框架建立；對(duì)動(dòng)力電池包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完成電池包整個(gè)結(jié)構(gòu)的CATIA 三維建模工作；對(duì)所設(shè)計(jì)的電池包進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，分析典型組合工況下動(dòng)力電池包的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)進(jìn)行電池包的自由模態(tài)強(qiáng)度分析。結(jié)合安裝位置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，模擬純電動(dòng)汽車側(cè)面碰撞情景，對(duì)電池包進(jìn)行模擬側(cè)面碰撞分析。