電動汽車電池箱體結(jié)構(gòu)分析與輕量化設(shè)計

萬長東，戴晨旭，魯春艷，王 敏

(1.蘇州市職業(yè)大學機電工程學院，江蘇蘇州 215104；2.德菲特軟件科技(蘇州)有限公司，江蘇蘇州 215104)

在碳排放、環(huán)境污染、能源危機等諸多嚴峻問題的大背景下，新能源汽車成為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。動力電池是新能源汽車的核心部件，電池箱體作為保護和支撐動力電池的主要部件，為動力電池內(nèi)部的組件提供受力載體，在電動汽車安全方面起著關(guān)鍵作用。電池箱體設(shè)計強度不足導致許多嚴重問題，如開裂、噪音或電池損壞等[1-2]。同時，新能源汽車動力電池的質(zhì)量普遍較大，為了提高電動汽車的行駛里程，減少電池對汽車靜動態(tài)性能和加速性能的影響，有必要對電池箱體進行輕量化設(shè)計。

近年來，國內(nèi)外研究學者基于有限元分析對動力電池箱體進行了大量研究。黃培鑫等[3]對動力電池進行了精準建模，通過模態(tài)試驗驗證了模型的有效性，并從應(yīng)力值和加速度兩個方面分析了電池包在穩(wěn)態(tài)隨機振動和瞬態(tài)沖擊下的結(jié)構(gòu)損傷和電接觸可靠性。梁芳等[4]介紹了箱體式電源單機結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，通過加強筋板式的輕量化、高比剛度的箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了整機的力學性能，減輕了整機質(zhì)量，對此類電源單機結(jié)構(gòu)具有通用性及設(shè)計參考性。程萍等[5]對動力電池系統(tǒng)輕量化技術(shù)進行了綜述，提出輕量化對提高續(xù)航里程的重要性，輕量化一般途徑為：提高單體電芯能量密度，減輕電池系統(tǒng)配件質(zhì)量，優(yōu)化電池系統(tǒng)設(shè)計。

現(xiàn)有某動力電池箱體，其隨機振動試驗時提示存在一定風險，且動力電池箱體質(zhì)量希望再降低10%。本研究首先建立動力電池有限元模型，然后通過計算發(fā)現(xiàn)動力電池結(jié)構(gòu)存在的基礎(chǔ)設(shè)計問題，進行改進設(shè)計，最后采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計方法進行輕量優(yōu)化設(shè)計，以期實現(xiàn)輕量化目標。

1 動力電池箱體力學初步分析與改進

1.1 動力電池有限元模型的建立

動力電池精準建模是進行有限元分析的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，模型的精準度直接決定了仿真結(jié)果的正確性。本文所使用的動力電池下殼體為鑄鋁箱體，結(jié)構(gòu)復雜，進而采用殼單元與四面體單元混合模擬，即保證了建模的精準度又縮短了計算時間。電池模組采用六面體單元模擬，材料使用可壓潰性泡沫。其他件均采用殼單元模擬，其中箱蓋采用SMC 復合材料。動力電池各部件具體單元模擬方式及材料參數(shù)如表1 所示，其中ZL102 屈服強度53 MPa，抗拉強度145 MPa。采用Rigid 剛性連接模擬電池箱體與箱蓋之間的螺栓，內(nèi)部模組與箱體設(shè)立接觸。動力電池整體有限元模型如圖1 所示，共有399 690 個單元，292 036 個節(jié)點。

圖1 動力電池整體有限元模型

表1 動力電池各部件模擬方式及材料參數(shù)

1.2 動力電池典型工況下的靜力學分析

車輛在行駛過程中，路面顛簸沖擊、緊急制動和急轉(zhuǎn)彎為三種典型路面工況。因此，基于以上三種工況對動力電池箱體進行靜態(tài)特性分析。結(jié)合車輛實際運行條件，各工況下慣性載荷的大小及方向如表2 所示。因動力電池通過12 個吊耳螺栓與車身相連，因此，固定約束吊耳螺栓孔6個自由度。

表2 典型工況下慣性載荷的大小及方向

經(jīng)仿真分析得出圖2、圖3、圖4 所示的三種典型工況下的應(yīng)力及位移云圖，分別提取各工況的最大應(yīng)力和最大位移，如表3 所示。由文獻可知[6]，動力電池箱體結(jié)構(gòu)在顛簸工況下的最大應(yīng)力227 MPa 和最大變形量4.20 mm，在緊急制動工況下的最大應(yīng)力142 MPa 和最大變形量不得超過2 mm，在急轉(zhuǎn)彎工況下的最大應(yīng)力251 MPa 和最大變形量不得超過4.19 mm，鋁合金電池包的最大應(yīng)力主要集中在22.34～140.80 MPa。經(jīng)與文獻對比，如表3 結(jié)果所示，本文中動力電池各工況下的結(jié)構(gòu)強度能夠滿足強度要求，但動力電池箱體的靜態(tài)剛度不足，主要原因在于上蓋的結(jié)構(gòu)剛度，因此上蓋需進一步優(yōu)化。

圖2 顛簸沖擊工況下等效應(yīng)力(a)及變形云圖(b)

圖3 緊急制動工況下等效應(yīng)力(a)及變形云圖(b)

圖4 急轉(zhuǎn)彎工況下等效應(yīng)力(a)及變形云圖(b)

表3 三種典型工況下的最大應(yīng)力及最大變形量

1.3 動力電池箱體模態(tài)分析

動力電池箱體的模態(tài)特性與箱體振動噪聲、疲勞破環(huán)等問題息息相關(guān)。其中，約束模態(tài)能更加真實地反映多個相連結(jié)構(gòu)部件的動態(tài)特性[7]。需要避免結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)與激勵頻率接近。因此，根據(jù)動力電池與車身的實際連接關(guān)系，約束動力電池12 個吊耳螺栓孔的6 個自由度，并進行仿真分析，提取前6 階約束模態(tài)頻率如表4 所示，振型如圖5 所示。模態(tài)振型主要體現(xiàn)在動力電池的上蓋結(jié)構(gòu)，結(jié)合1.2 節(jié)的靜力學分析，可以說明動力電池上蓋剛度不足。

圖5 動力電池箱體約束模態(tài)振型圖

表4 動力電池箱體前6階約束模態(tài)頻率

1.4 動力電池箱體第1 階模態(tài)結(jié)果校核

車輛在行駛過程中將受到來自不同路面所產(chǎn)生的激勵，為避免動力電池箱體的固有頻率接近路面的激勵頻率而產(chǎn)生共振，第1 階約束模態(tài)應(yīng)大于路面的激勵頻率。通常路面激勵頻率受車輛行駛速度和路面不平度波長的影響，其關(guān)系式如下[8]：

式中：μf為路面激勵頻率，Hz；ν為車輛行駛速度，km/h；λ為路面不平度波長，m。

由式(1)可計算出，當車輛以不高于100 km/h 的速度行駛在城市平坦路面時，路面不平度波長在1.0～6.3 m 范圍內(nèi)，所產(chǎn)生的路面激勵頻率范圍在4.4～27.7 Hz。

因此，動力電池箱體計算得到的第1 階約束模態(tài)頻率(8.6 Hz)處于路面激勵頻率范圍(4.4～27.7 Hz)，動力電池箱體原有設(shè)計存在共振風險，需進一步優(yōu)化來提高第1 階頻率。

1.5 動力電池箱體上蓋布置膨脹膠來改進其剛度

結(jié)合1.2～1.4 節(jié)所述，靜力學計算和模態(tài)計算結(jié)果顯示了動力電池箱體上蓋剛度不足。上蓋剛度不足可以采用增加厚度，或使用高強度材料，或采用加強筋結(jié)構(gòu)，或增加支撐等方法，如圖6 所示，通過在動力電池上箱蓋與電池模組之間布置32 個膨脹膠來增加上蓋的支撐點。膨脹膠材料為EVA，是一種新型環(huán)保塑料發(fā)泡材料，彈性模量3 MPa，膨脹膠密度僅1.6 g/cm3，泊松比0.35，它具有良好的緩沖、抗震、隔熱、防潮、抗化學腐蝕等優(yōu)點，有一定的粘接強度，這樣可以因為增加上蓋結(jié)構(gòu)的支撐點從而提高其剛度，幾乎不增加上蓋質(zhì)量，對成本影響很小。再次模態(tài)計算仿真布置膨脹膠的改進方案，分析結(jié)果顯示：改進后動力電池箱體在顛簸工況下最大變形量從10.31 mm 減小到0.65 mm(如圖7 所示)，第1 階約束模態(tài)頻率從8.6 Hz 提高到38.3 Hz(如圖8 所示)，動力電池箱體上蓋的剛度特性改善效果明顯。

圖6 動力電池箱體膨脹膠布置

圖7 改進后動力電池箱體變形

圖8 改進后動力電池箱體第1階振型圖(38.3 Hz)

2 動力電池箱體結(jié)構(gòu)輕量優(yōu)化

2.1 試驗設(shè)計

在前述1.5 節(jié)改進結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計方法，進一步對動力電池箱體的結(jié)構(gòu)尺寸以輕量為目標進行優(yōu)化。

從輕量化角度考慮，以動力電池4個關(guān)鍵部件的壁厚為連續(xù)性變量，定義T1為上箱蓋厚度，T2為下箱體厚度，T3為吊耳厚度，T4為下箱體加強筋厚度。取值范圍及初始值如表5 所示。以動力電池箱體總質(zhì)量(M)、一階模態(tài)(FM)、最大應(yīng)力(MS)、最大位移(MD)為設(shè)計響應(yīng)。采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計較為均勻地獲取80 個樣本點數(shù)據(jù)，并對其計算各設(shè)計響應(yīng)值。其中約束條件設(shè)置為：動力電池箱體第一階模態(tài)大于27.8 Hz，動力電池最大應(yīng)力53 MPa，動力電池最大變形量小于1 mm。

表5 設(shè)計變量初始值及取值范圍 mm

2.2 構(gòu)建代理模型

在輕量化設(shè)計中，采用近似模型代替原有分析模型，可在不降低計算精度的情況下大幅削減計算成本，提高優(yōu)化設(shè)計效率[9]。徑向基(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因具有收斂速度快、非線性逼近能力強、容錯率高等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用，采用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建動力電池箱體各部件厚度與動力電池箱體總質(zhì)量、一階模態(tài)、最大應(yīng)力、最大位移之間的關(guān)系。并采用統(tǒng)計誤差評價法檢驗所構(gòu)建的代理模型的精準度，其代理模型擬合精度評價如圖9所示，表6給出了代理模型精度評價指標。

圖9 代理模型擬合精度圖

表6 代理模型精度評價指標

2.3 建立多目標確定性優(yōu)化設(shè)計模型

基于上述確定的設(shè)計變量及優(yōu)化目標，構(gòu)建如下動力電池箱體結(jié)構(gòu)的多目標優(yōu)化數(shù)學模型：

帶精英策略的非支配排序遺傳算法(NSGA-II)通過引入非支配排序、擁擠度和擁擠度比較算子以及精英策略，提高了種群的多樣性和計算效率，成為多目標優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)用最廣的優(yōu)化算法之一。本文采用NSGA-II 算法對上述建立的多目標優(yōu)化模型進行求解，并結(jié)合計算量及計算精度，設(shè)置種群和進化代數(shù)為20，經(jīng)計算得出最優(yōu)解。

2.4 最優(yōu)設(shè)計方案驗證

基于以上計算得出最優(yōu)預測組合：T1=1.548 7，T2=5.167 1，T3=6.943 4，T4=6.665 2。為驗證優(yōu)化預測方案的準確性，選取預測值的近似實際值進行有限元仿真驗證，具體結(jié)果對比如表7 所示。

表7 動力電池箱體優(yōu)化結(jié)果與驗證

對比優(yōu)化前后的結(jié)果可知：動力電池箱體各性能指標優(yōu)化預測值與優(yōu)化實際值的相對誤差均在5%以內(nèi)，具有較高的準確性，符合工程精度要求。同時可以看到其計算結(jié)果：動力電池箱體其一階模態(tài)34.7 Hz(大于27.8 Hz)，動力電池最大應(yīng)力41.2 MPa(小于53 MPa)，動力電池最大變形量0.414 mm(小于1 mm)。性能指標得到滿足的前提下，實現(xiàn)了箱體質(zhì)量減重10.2%。

3 結(jié)論

本文以動力電池箱體為研究對象，通過靜力學和模態(tài)分析對結(jié)構(gòu)力學性能進行初步判斷，針對原有動力電池箱體上蓋剛度不足進行了改進。同時以動力電池箱體各部件厚度為設(shè)計變量，在滿足其動靜態(tài)特性各指標的前提下，實現(xiàn)了動力電池箱體的輕量化需求。

(1)通過動力電池箱體靜力學計算及模態(tài)計算，初步判斷原有動力電池箱體上蓋剛度不足，并通過增加膨脹膠的方式解決了原有結(jié)構(gòu)的剛度缺陷，第1 階約束模態(tài)頻率從8.6 Hz提高到38.3 Hz。

(2)在動力電池箱體上蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上進一步輕量化設(shè)計，采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計方法，結(jié)合RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型及NSGA-II 優(yōu)化算法，對動力電池箱體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件厚度進行尺寸輕量化設(shè)計。優(yōu)化后結(jié)果顯示：在滿足其模態(tài)、最大應(yīng)力和最大變形量等性能指標的前提下，箱體結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了10.2%。