鋁合金電池包箱體強度剛度分析

董其娟，韓明亮，夏德偉，牌君君，賈孌孌

(1.256600 山東省 濱州市 山東省先進鋁基材料與技術重點實驗室；2.256600 山東省 濱州市 濱州魏橋國科高等技術研究院)

0 引言

在全球石油資源儲量日益減少的背景下，現(xiàn)階段以石油為主要燃料的汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了極大威脅，發(fā)展新能源汽車成為世界汽車工業(yè)持續(xù)發(fā)展的必然選擇。在建設低碳、節(jié)能經(jīng)濟的宏觀背景下，發(fā)展新能源汽車是大勢所趨，在未來必將拉動中國汽車產(chǎn)業(yè)技術革新和經(jīng)濟增長[1]。

純電動汽車的續(xù)航里程和安全性是衡量其市場定位的關鍵指標。純電動汽車續(xù)航里程、行駛速度與動力電池包息息相關，電池包不僅是用戶對汽車的評價，更是市場對企業(yè)認可的關鍵因素[2-3]。純電動汽車的安全性與電池包的機械強度有直接關系，一臺安全性高的純電動汽車一定具有結構設計合理、強度合格的電池包。目前，國內(nèi)大量研究集中在電池包的結構設計和輕量化方面。王品健[4]采用有限元軟件對某汽車動力電池包模型進行靜力學分析，結果表明，動力電池包在4 種工況下的最大應力分別為116、144、118、129 MPa，遠小于電池包各結構件的材料屈服強度；楊書建[5]計算了某款電池箱在汽車處于典型極端行駛情況下的受力，結果表明，汽車行駛在顛簸路面急剎車、急轉彎時電池箱隔板承受的最大應力分別為98.7、60.5 MPa，2 種工況下電池箱所受最大應力均小于底板和隔板材料屈服極限170 MPa，并且差距較大；李垚坤等[6]采用ABAQUS 軟件對某電動汽車電池包結構進行靜力學特性分析，電池包在顛簸+緊急制動組合工況下最大應力為114.8 MPa，最大位移為1.2 mm，只有吊耳孔、電池罩蓋2 個區(qū)域應力大于100 MPa，其它鈑金件等效應力不符合安全性能要求，需進行一定的結構優(yōu)化。

電池包作為新能源汽車的核心動力，其結構的設計要求應該滿足多變的運行環(huán)境和行駛工況下的工作安全性和可靠性[7]。本文采用有限元法對新能源電動汽車鋁制電池包箱體的結構強度和彎曲剛度進行分析，使其滿足結構的輕量化、高強度等設計要求，為電池包的進一步設計開發(fā)提供參考。

1 有限元模型

1.1 模型結構與簡化

本文所研究的電池箱由下箱體、電池模組、模組固定板和加強件等部件構成，為簡化模型，在前處理過程中忽略了非主要承載件。下箱體的側圍和底板之間通過螺栓連接，該電池包箱體近似箱式結構，將電池模組引入電池包箱體的有限元模型中，簡化成一個較為規(guī)則的方形體。采用這種簡化方式不僅保留了真實的功率傳輸路徑，而且還真實地模擬了電池結構對箱體的響應,簡化后的模型如圖1 所示。

圖1 簡化電池包箱體數(shù)學模型Fig.1 Simplified mathematical model of battery pack box

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

結構離散化指的是把一個連續(xù)的彈性體分割成由若干個有限大小區(qū)域組成并通過相互之間的共點連接的離散結構，其中劃分的離散區(qū)域稱為有限單元或網(wǎng)格，離散結構之間的共點稱為節(jié)點。單元節(jié)點的劃分與設置直接影響有限元分析的計算精度與效率。一般而言，網(wǎng)格劃分越細，節(jié)點越多，有限元分析的計算結果越接近實際，同時也增加了計算量，降低了計算效率。采用殼單元對電池包進行網(wǎng)格劃分能得到很好的效果，共 355 214 個單元，單元尺寸為6 mm。相比于實體單元，殼單元不僅能保證計算精度，還能大大縮短計算時間并提升計算效率[8]。本文根據(jù)電池包體結構特點，對箱體結構進行抽中面處理，采用殼單元模擬型材及板材。采用的單元類型及單元的數(shù)目如表1 所示，該電池包的有限元模型如圖2 所示。

表1 有限元模型參數(shù)Tab.1 Parameters of finite element model

圖2 電池包有限元網(wǎng)格模型Fig.2 Finite element grid model of battery pack

1.3 材料屬性

隨著法規(guī)對節(jié)能環(huán)保要求的日益提高，尋求部件結構輕量化效果和優(yōu)異的力學性能之間的平衡成為了關注的焦點，輕質(zhì)高強成為評判高端材料的重要指標。該電池包體均采用高強度鋁合金材料6061-T6，其具體參數(shù)如表2 所示。

表2 電池包材料特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of battery pack materials

2 強度分析

分析前需確定載荷，電池包共16 個模組，每個模組12 kg，共計192 kg，以質(zhì)量點形式加載。

2.1 工況介紹

車輛行駛過程中，由于路面差異會產(chǎn)生不同的行駛工況，電池包的載荷條件因而隨之變化。電池包系統(tǒng)作為整車結構的核心組件，其結構是否具有足夠的強度保護內(nèi)部電池模組、電氣連接件以及各種元器件的安全，需要對電池包箱體的靜態(tài)特性進行分析。靜態(tài)特性分析主要分析結構受靜態(tài)或準靜態(tài)外載荷時發(fā)生的變形，并通過插值與積分獲取結構內(nèi)部的應力和應變等響應[9]。由于靜態(tài)關注的是位移，與速度無關，因此靜態(tài)分析中不考慮阻尼的影響，若系統(tǒng)受到的載荷與時間變化有關且變化非常緩慢，也可以將其近似看作準靜態(tài)載荷。本文的靜態(tài)分析主要是分析固定不變的慣性載荷（只與質(zhì)量和重力加速度有關）對電池包機械結構的影響，通過計算動力電池包在3g向前、3g向后、3g向左、3g向右、3.5g向上和3.5g向下這6 種典型工況下電池包箱體的應力分布和位移，是否達到強度極限，為結構性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。電池包坐標系與汽車坐標系方向相同，汽車行駛方向為X軸，垂直于地面為Z軸，駕駛員側面為Y軸，各工況載荷參數(shù)如表3 所示。

表3 電池包在各工況下的加載情況（g=9.8 m/s2）Tab.3 Loading of battery pack under various working conditions (g=9.8 m/s2)

2.2 評價標準

根據(jù)材料力學理論[10]，當復雜應力狀態(tài)下材料的形狀改變能密度σ達到單向拉伸時使材料屈服的形狀改變能密度時，材料即會發(fā)生屈服，即

單向拉伸時，σ1=σ，σ2=σ3=0，則此時形狀改變能密度為

將式（2）、式（3）代入式（1），破壞準則可表示為

式中：σ——單向拉伸時結構的等效應力，結構發(fā)生破壞時σ=σs。

考慮材料的安全系數(shù)n，則結構性能安全的評價標準為

式中：σs——材料的屈服強度；n——安全系數(shù)；[σ]——安全系數(shù)下的許用應力。

2.3 電池包結構強度分析

6 種工況的邊界約束一致，即約束8 個螺栓孔處的X、Y、Z向平動自由度，如圖3 所示。

圖3 約束條件Fig.3 Restraint condition

（1）3g向前工況。圖4 為該工況電池包應力云圖，由圖4 可見，應力主要集中位于底板一側鋁制連接件折彎部位，模組連接件由鋁板折彎而成，會造成局部區(qū)域厚度不均勻，特別是在直角過渡區(qū)應力集中現(xiàn)象顯著。最大應力值為29.4 MPa，遠遠小于材料的屈服強度240 MPa，結構性能滿足設計要求。電池包箱體最大形變位于中部，最大變形量為1.201 mm，如圖5 所示。

圖4 3g 向前工況下的電池包應力云圖Fig.4 Stress distribution of battery pack under 3g forward working condition

圖5 3g 向前工況下的電池包位移云圖Fig.5 Displacement distribution of battery pack under 3g forward working condition

（2）3g向后工況。圖6 為該工況電池包應力云圖，由圖6 可見，應力主要集中在底板一側固定孔周圍，最大應力值為29.02 MPa，遠小于材料的屈服強度240 MPa，結構性能滿足設計要求。電池包箱體最大形變同3g向前工況類似，位于電池包中部，最大變形量為1.223 mm，如圖7 所示。

圖6 3g 向后工況下的電池包應力云圖Fig.6 Stress distribution of battery pack under 3g backward working condition

圖7 3g 向后工況下的電池包位移云圖Fig.7 Displacement distribution of battery pack under 3g backward working condition

（3）3g向左工況。圖8 為該工況電池包應力云圖，由圖8 可見，應力分布情況與3g向后工況的類似，主要集中位于底板另一側固定孔周圍，最大應力值為35.18 MPa，遠遠小于材料的屈服強度240 MPa，結構性能滿足設計要求。電池包箱體最大形變同前2 種工況類似，位于電池包中部，最大變形量為1.211 mm，如圖9 所示。

圖8 3g 向左工況下的電池包應力云圖Fig.8 Stress distribution of battery pack under 3g left working condition

圖9 3g 向左工況下的電池包位移云圖Fig.9 Displacement distribution of battery pack under 3g left working condition

（4）3g向右工況。圖10 為該工況電池包應力云圖，應力分布情況與3g向后工況的一致，主要集中位于底板一側固定孔周圍，最大應力值為35.18 MPa，遠遠小于材料的屈服強度240 MPa，結構性能滿足設計要求。電池包箱體最大形變位于電池包中部，變形量為1.211 mm，如圖11 所示。

圖10 3g 向右工況下的電池包應力云圖Fig.10 Stress distribution of battery pack under 3g rightward working condition

圖11 3g 向右工況下的電池包位移云圖Fig.11 Displacement distribution of battery pack under 3g rightward working condition

（5）3.5g向上工況。圖12 為該工況電池包應力云圖，應力分布情況與3g向前工況的一致，位于底板一側鋁制連接件折彎部位，最大應力為70.2 MPa，遠小于材料的屈服強度240 MPa，結構性能滿足設計要求。電池包箱體最大形變位于電池包中部，最大變形量為1.211 mm，如圖13 所示。

圖12 3.5g 向上工況下的電池包應力云圖Fig.12 Stress distribution of battery pack under 3.5g upward working condition

圖13 3.5g 向上工況下的電池包位移云圖Fig.13 Displacement distribution of battery pack under 3.5g upward working condition

（6）3.5g向下工況。圖14 為該工況電池包應力云圖，由圖14 可見，應力分布情況與3g向前工況的一致，位于底板一側鋁制連接件折彎部位，最大應力值為126.1 MPa，小于材料的屈服強度240 MPa，結構性能滿足設計要求。電池包箱體最大形變同前5 種工況類似，位于電池包中部，最大變形量為5.447 mm，如圖15 所示。

圖14 3.5g 向下工況下的電池包應力云圖Fig.14 Stress distribution of battery pack under 3.5g downward working condition

圖15 3.5g 向下工況下的電池包位移云圖Fig.15 Displacement distribution of battery pack under 3.5g downward working condition

綜上所述，鋁合金電池包在6 個工況下的最大應力和最大位移如表4 所示。由表4 數(shù)據(jù)可知，所有應力值均小于材料的屈服強度，在許用應力范圍內(nèi)，車身結構滿足強度要求，并具有較大的強度裕度。

表4 各工況下的結構強度Tab.4 Structural strength under various working conditions

3 彎曲剛度

3.1 載荷及邊界條件

電池包為左右對稱結構，共有8 個安裝點，計算分析每側的4 個安裝點，如圖16 所示。以安裝點1 為例，在安裝點1 沿Z方向施加-1 000 N 的力，其他安裝點約束X、Y、Z向位移，具體載荷及約束情況如圖17 所示，其他3 個安裝點依此類推。

圖16 安裝點位置Fig.16 Installation point position

圖17 載荷及邊界條件Fig.17 Loads and boundary conditions

3.2 彎曲剛度計算

根據(jù)材料力學[7]，電池包彎曲剛度計算方法為

式中：F——施加在電池包安裝點上的垂向載荷；Zmax——在安裝點分別施加垂向載荷F后得到最大彎曲位移量；EI——電池包的彎曲剛度值。

圖18 為各個安裝點的位移云圖，由位移云圖可知，安裝點1—安裝點4 的最大位移量分別為1.541、1.112、1.012、1.012 mm，將數(shù)據(jù)代入式（6）計算可得到安裝點1—安裝點4 的彎曲剛度分別為648.929、899.281、988.142、988.142 N/mm，結果均滿足電池包的彎曲剛度要求。

圖18 各安裝點位移云圖Fig.18 Displacement distribution of each installation point

5 結論

采用有限元方法對電池包箱體進行了結構強度和彎曲剛度分析，主要結論如下：

（1）選擇3g向前、3g向后、3g向左、3g向右、3.5g向上和3.5g向下6 種典型工況，模擬電池包靜態(tài)性能，對電池包進行強度分析，通過應力和位移等結果評估，6 種典型工況下電池包箱體的結構均滿足強度性能要求。

（2）3g向前、3.5g向上、3.5g向下工況最大應力分布類似，均位于底板一側鋁制連接件折彎部位；3g向后、3g向左和3g向右工況最大應力分布情況類似，均集中在底板一側固定孔周圍，說明這2 個位置結構薄弱，在生產(chǎn)應用中應予關注并加強。6 種典型工況下最大位移均集中在電池包中部。

（3）電池包4 個安裝點的彎曲剛度依次為648.929、899.281、988.142、988.142 N/mm，符合剛度要求。