某型純電動汽車動力電池結(jié)構設計與振動仿真分析

摘要：基于某在用動力電池，利用CATIA建立動力電池包模型，聯(lián)合仿真軟件ABAQUS對電池包進行約束模態(tài)分析以及隨機振動仿真分析，并根據(jù)結(jié)果對電池包的結(jié)構進行的優(yōu)化，以期在滿足加強度條件下，實現(xiàn)輕量化的要求。

關鍵詞：動力電池；結(jié)構設計；模態(tài)分析；隨機振動分析；結(jié)構優(yōu)化

動力電池作為純電動汽車的“心臟”，是電動汽車的動力來源，是汽車的重要零部件之一，動力電池對提高電動汽車的性能具有至關重要的作用。而動力電池的主要受載部分——動力電池箱體，是否具有足夠強度保證動力電池結(jié)構不被破壞就顯得尤為重要。因此，對動力電池結(jié)構安全性的研究具有重要的意義。相比于燃油汽車，純電動汽車動力電池的質(zhì)量遠大于發(fā)動機的質(zhì)量，比如1.6L發(fā)動機的質(zhì)量在180～240kg，與該排量動力性能相當?shù)募冸妱悠嚨膭恿﹄姵匕馁|(zhì)量一般為400kg左右。相同動力性能的純電動汽車的動力電池的質(zhì)量接近于同等性能下發(fā)動機質(zhì)量的2倍。因而，設計一種既滿足結(jié)構強度要求且質(zhì)量又相對較低的動力電池包，對車輛經(jīng)濟性和動力性具有重要意義。

動力電池包的設計，除了滿足輕量化的要求，其安全性以及使用壽命也需達到相關標準與要求。GB/38031—2020國標中對動力電池模組以及整體在極端情況下的安全提出了具體的要求，其中隨機振動、跌落翻滾、機械沖擊、模擬碰撞以及擠壓工況等極端情況下可導致結(jié)構上的問題。其中，隨機振動工況是較常見的工況之一，因而本文集中對動力電池隨機振動工況進行了研究。

在動力電池的輕量化研究方面，國內(nèi)外學者研究主要集中在結(jié)構、仿真方法和材料上。結(jié)構上，季鑫盛、楊超等為解決車輪不平衡激勵而導致的共振問題，提出了三種電池箱體結(jié)構優(yōu)化方案，仿真結(jié)果表明，通過更換底板材料和增加縱梁結(jié)構的方案可以實現(xiàn)避免共振和箱體輕量化的目的。梁中等對電池箱體結(jié)構進行了靜態(tài)力學和模態(tài)分析的仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果對結(jié)構進行分析和改進，然后對改進后的電池箱體進行再次仿真，結(jié)果顯示改進后的電池箱體在靜、動態(tài)性能上都合格，且質(zhì)量相應減少了26.3%。Uerlich等采用有限元方法研究了動力電池在正方形和六邊形封裝下的能量密度和被動安全性能，研究結(jié)果表明，兩種封裝方式都最大程度地利用了電池包內(nèi)部空間，但六邊形封裝條件下的能量密度和被動安全性高于正方形。

仿真方法上，Meng L利用自定義形式的立體光刻幾何模型進行領域建模，搭建由設計與非設計區(qū)域特征組成的拓撲變化模型，并應用積分方法對邊界條件進行敏感度分析。M.H Bi和Phuong Tran等將拓撲優(yōu)化應用于增材設計，并充分考慮了懸垂方法，以解決常規(guī)支撐物增加計算量的問題。Abueidda D W和Koric S等設計一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型，利用拓撲優(yōu)化框架對該神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行訓練和驗證，并生成了包含相關邊界條件、負載和約束配對的數(shù)據(jù)集，以確保準確預測。

材料上，蘭鳳崇等提出一種基于電池包結(jié)構多材料選型系統(tǒng)的優(yōu)化方法，該方法改進了箱體剛度和模態(tài)，并實現(xiàn)了8.72kg的輕量化效果，并通過試驗驗證具備較高的可靠性。王國旺等基于多材料設計理念，在上蓋板中采用了綜合性能良好且成本優(yōu)勢明顯的SMC復合材料，并通過模態(tài)頻率進行形貌和尺寸優(yōu)化來確定其最佳結(jié)構形式。Haris運用有限元方法對五種不同類型巖芯的電池多功能夾層的力學特性能進行了研究，結(jié)果表明凹陷型A巖芯則具備最佳的耐壓性，凹陷型B巖芯具備最佳的抗彎曲與抗剪切性能。

以上研究都不是基于實際在用車輛動力電池進行的優(yōu)化，其實際效果還有待進一步驗證。本文基于某在用動力電池，利用CATIA建立動力電池包模型，聯(lián)合仿真軟件ABAQUS對電池包進行約束模態(tài)分析以及隨機振動仿真分析，并根據(jù)結(jié)果對電池包的結(jié)構進行的優(yōu)化，以期在滿足加強度條件下，實現(xiàn)輕量化的要求。

結(jié)構設計

1.動力電池包模組的設計

由于動力電池自重的影響，車輛的續(xù)駛里程隨電池包容量（數(shù)量）的增大呈增長率遞減的增大關系，并最終趨于不變，因而考慮到經(jīng)濟性，只能適度增加容量。在滿足續(xù)駛里程和動力性的前提下，盡可能減少電池模組的數(shù)量，從而達到經(jīng)濟性要求。為對車輛匹配最佳的動力電池容量，需要對車輛的基本參數(shù)進行限定。某純電動車輛的相關參數(shù)見表1。

其中續(xù)駛里程，是汽車以60km/h的時速，在水平路面的行駛里程，本文采用的是21700型電池單體，該類型電池具有能量密度高、成本低和安全性好的特點，具體參數(shù)見表2。

將表2中的3個電池單體電池進行串聯(lián)，再并聯(lián)13個由3個單體電池串聯(lián)的組合體，這樣39個單體電池就組成了一個電池單元，該電池單元的電壓為11.1V，容量為58.5Ah。由電池單元及電動汽車的參數(shù)，可計算出滿足電動汽車動力和容量需求的電池單元數(shù)量，具體計算如下。

首先，動力電池的總電壓要與電動機的額定電壓匹配，即電池單元串聯(lián)后的電壓要大于等于電動機額定電壓，以滿足電動機正常運行的要求。根據(jù)這一要求，電池單元的數(shù)量計算為

n1=Ue/Ub" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中，Ue是電動機額定電壓，取300V；Ub是3個單體電池串聯(lián)的電壓，為11.1V；n1是電池單元的個數(shù)，計算出的n1值為27個。

由表1中的續(xù)駛里程442km，行駛車速60km/h，忽略加速和上坡阻力，電動汽車所需要的功率的計算公式為

（2）

式中，ηT為動力的傳遞效率，取0.85；m為整車質(zhì)量，單位為kg；g為重力加速度；ua為車速，取60km/h；fR是滾動阻力系數(shù)，取0.013；Cd為空氣阻力系數(shù)，取0.28；A為迎風面積，為2.4m2；Pe為功率，單位為kW，代入數(shù)據(jù)得Pe約為8kW。那么，電動汽車等速行駛442km所需要的總電量Wa為

（3）

式中，S為續(xù)駛里程，其值為442km；ua為車速，取60km/h。則所需的電池單元數(shù)n2的計算公式

n2=1000SW/CbUbηb" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中，W為行駛1km所需要的能量取0.133kW·h；Cb為單個電池單元的電荷容量，為58.5Ah；ηb 為電池放電深度，為0.8。得出的電池單元數(shù)量為120個。

由于電池單元的數(shù)量必須滿足電動機的額定電壓和電動汽車的續(xù)駛里程這兩個條件，設計出的電池模組如圖1所示，電池單元的數(shù)量為120個。將這120個電池分為12組，每組為10個電池單元組成一個電池模組。

2.動力電池包的上蓋設計

電池包的上蓋如圖2所示，其在保護電池包方面起到關鍵作用，需要具備優(yōu)異的密封性能和耐受熱失控時產(chǎn)生氣壓變化的要求。材料選擇方面應綜合考慮價格和密度，金屬材料鋁合金是較為適用的選項。

3.動力電池包的箱體設計

動力電池下箱體的設計方案對能量密度、成本和機械使用壽命等方面有重要影響，選材、加固梁設計和孔洞布置都是關鍵考慮因素，目前箱體的結(jié)構形式主要有鈑金箱體和型材箱體兩種。根據(jù)項目需求以及對鈑金箱體和型材箱體綜合考慮后，選擇型材鋁合金制造動力電池下箱體，其結(jié)構如圖3所示。

該箱體由周圍的框架、底板、橫梁、縱梁以及吊耳，通過焊接的方式組成。

基于ABAQUS的有限元建模

1.材料的定義

在CATIA中對模型簡化并導入到ABAQUS后，首先是添加電池包各部件的材料參數(shù)和截面屬性，材料參數(shù)主要有楊氏模量、泊松比及密度等。電池包下箱體、箱體上蓋、縱梁、橫梁及吊耳均采用A6061T6鋁合金材料，螺栓采用材料Q235，模組的參數(shù)則采用均一化實體，具體參數(shù)見表3。

2. 模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)電池包各部件的特點采用不同的網(wǎng)格劃分方式，電池包上蓋是鈑金件采用殼單元模擬，下箱體是型材結(jié)構采用六面體網(wǎng)格劃分，模組同樣采用六面體網(wǎng)格劃分。動力電池包的有限元模型如圖4所示。

其中模型包含1 022 080個單元，節(jié)點數(shù)為1 308 327個。

3. 邊界條件和連接設置

本文主要通過固定吊耳的多個螺栓孔的表面來模擬電池箱體掛載在汽車的底盤上，如圖5所示。

選中螺栓孔的內(nèi)表面，將六個自由度進行約束。在有限元仿真中，創(chuàng)建連接接觸屬性是至關重要的一步。這個步驟能夠模擬不同工況下各個零部件之間的約束關系和連接狀態(tài)。連接的模擬方式主要包括簡化連接和實體單元連接。實體單元連接通過使用實體3D網(wǎng)格來繪制螺母和螺栓，這種方式最為理想，然而在分析對象含有多個螺栓時會增加工作量并耗費計算時間。相反，在那些重點不在于連接部分的分析中，則可以采用簡化的連接方式以提高效率。

電池包上連接主要有螺栓聯(lián)接和焊接兩種，箱體、吊耳、縱梁及橫梁之間都采用TIE綁定的方式來模擬焊接，如圖6所示。

模組和箱體之間的連接則采用梁單元配合MPC連接的方法，該方法是將螺栓用梁單元代替，再將梁單元兩端用MPC連接方式與被連接件螺孔兩端節(jié)點相連的方式來代替箱體與模組的螺栓聯(lián)接，螺栓與其接觸面的連接如圖7所示。

螺母與其接觸面的連接如圖8所示，其中環(huán)形為接觸面的具體大小。

結(jié)構仿真

1.動力電池模態(tài)分析

模態(tài)分析分為自由模態(tài)和約束模態(tài)分析，本文中研究的動力電池包通過螺栓與汽車底盤固定在一起，所以采用約束模態(tài)分析，電池包在約束狀態(tài)下前六階的頻率和振型如表4所示。

將其與整車的激勵頻率進行對比，判斷是否有共振的風險。

動力電池包的一階模態(tài)云如圖9所示。

乘用車的固有頻率一般為15～20Hz，本研究中經(jīng)計算得到的動力電池的第一階頻率為25.39Hz，大于其固有頻率，所以動力電池在乘用車內(nèi)共振的概率較小。

2. 隨機振動分析

隨機振動分析的目的是評估電池在長時間受到隨機振動時所遭受的累積損害。加載條件可根據(jù)國標GB/38031—2020中的標準得到為功率譜密度（Power Spectral Density，PSD），見表5。

分別在X、Y、Z三個方向上進行12h隨機振動仿真分析，得出三個方向的RMS（Root Mean square Stress，根均方應力）應力云圖如圖10～圖12所示。

由圖形可得，X、Y、Z三個方向各自的RMS最大值分別為1.58MPa、1.49MPa、25.98MPa，均小于材料的屈服極限，箱體不會產(chǎn)生損壞。所以，整個電池包的初步設計滿足隨機振動的強度要求。

結(jié)構改進與優(yōu)化

動力電池包的一階模態(tài)頻率為25.39Hz，大于汽車自身的固有頻率，由于動力電池包的振動還受路面激勵頻率的影響，不同路面條件下的波長及車速產(chǎn)生的路面激勵頻率見表6。

從表6可以看出，不同路面在不同車速下的激勵頻率不同，路面的激勵頻率大概在22～28Hz，與電池包一階模態(tài)頻率相近，仍存在共振風險。

路面激勵頻率與車速，波長之間的關系為

f=V/3.6λ" " " " " " " " " " " " " " " "（5）

式中，V為車速；λ為不平度波長；f為路面的激勵頻率。

根據(jù)圖9可以看出上蓋形變較大，強度不足，需要加強上蓋強度以提高一階模態(tài)頻率。

1. 電池包上蓋的改進和優(yōu)化

本文以增加加強筋的方式對電池包上蓋進行改進，如圖13所示，這些加強筋主要通過沖壓成形后附著在薄壁件上，其形狀類似于突出的包裹或長條狀圓角凹凸區(qū)域，其功能是增加薄壁結(jié)構件局部強度，并提高其抵抗過度變形能力。此外，在振動過程中，還能有效地降底板件的振幅。

2. 改進后仿真結(jié)果對比

將改進后的電池上蓋重新裝配在動力電池包中，對其再次進行網(wǎng)格劃分，得到對應模態(tài)分析結(jié)果，并優(yōu)化之前結(jié)果進行對比，如圖14和圖15所示。

可以看出優(yōu)化后電池包一階模態(tài)的頻率為34.63Hz，相比于優(yōu)化前的頻率提高了36.39%，且高于因路面不平產(chǎn)生對汽車的激勵頻率，不會因此產(chǎn)生共振。綜上所述，該電池包上蓋的優(yōu)化可行、有效。

結(jié)語

本文應用建模軟件CATIA以及仿真軟件ABAQUS對動力電池包結(jié)構進行建模以及模態(tài)分析、隨機振動仿真，并根據(jù)仿真的結(jié)果對動力電池包進行結(jié)構的優(yōu)化，讓其符合國家標準，具有較高的可靠性。

首先，利用三維建模軟件CATIA對電池包進行建模，將建好的模型導入仿真軟件ABAQUS中，對電池包結(jié)構件模型進行材料屬性和截面屬性的設置，再對電池包模型進行邊界條件和連接設置，然后對模型進行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。

其次，根據(jù)建立的有限元模型，對其進行模態(tài)分析以及隨機振動仿真分析。結(jié)果顯示模態(tài)分析中一階模態(tài)的頻率為25.39Hz，大于汽車的固有頻率15～20Hz，不會因車輛本身而產(chǎn)生共振的風險，但會因為路面不平度而導致的激勵頻率與電池包的一階模態(tài)頻率相近，所以，在汽車行駛過程中會有共振的風險。隨機振動仿真分析的結(jié)果顯示，在X、Y、Z三個方向上，電池包的最大RMS分別1.58MPa、1.49MP、25.98MPa，均小于材料屈服極限的1/3，不會產(chǎn)生疲勞損壞，符合國家標準。

最后，根據(jù)電池包共振的風險，對電池包結(jié)構進行了強度方面的優(yōu)化，尤其是動力電池的上蓋，對其使用了加強筋來提高其結(jié)構強度。再對優(yōu)化后的動力電池包進行了模態(tài)分析，得出的結(jié)果為其一階模態(tài)的頻率相較于優(yōu)化前的一階模態(tài)提高了36.39%，且高于因路面不平度而導致的激勵頻率，從而減少了汽車在行駛過程中會出現(xiàn)的共振風險。