一種電動(dòng)汽車電池箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊國(guó)棟

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為純電動(dòng)汽車提供了良好的發(fā)展基礎(chǔ)，使其可以積極響應(yīng)低碳環(huán)保的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。電

0 ?引言

動(dòng)力電池箱作為電動(dòng)汽車承載動(dòng)力電池的裝置，起到保護(hù)動(dòng)力電池的作用，是電動(dòng)汽車的重要組成部分。對(duì)純電動(dòng)汽車而言，動(dòng)力電池為全車提供動(dòng)力，其性能的好壞對(duì)整車性能有巨大的影響。當(dāng)前車載電池主要存在能量密度偏低的問(wèn)題，無(wú)法滿足電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)發(fā)展要求。因此，為提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，同時(shí)滿足用戶長(zhǎng)距離駕駛的需求，電動(dòng)汽車必須裝備高容量的動(dòng)力電池。這導(dǎo)致電池組質(zhì)量較大，電池箱需要承受較大載荷，進(jìn)而影響到駕駛安全性和可靠性。本文針對(duì)電動(dòng)汽車的電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究，希望同時(shí)提升電池組的容量與安全性能，對(duì)促進(jìn)純電動(dòng)汽車的應(yīng)用效果具有重要作用。

1 ?純電動(dòng)汽車電池箱設(shè)計(jì)要求

在針對(duì)電動(dòng)汽車的電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)滿足各類設(shè)計(jì)要求，具體如下：

①機(jī)械強(qiáng)度要求，電池箱結(jié)構(gòu)要與汽車臺(tái)架吻合，不會(huì)在行駛過(guò)程中產(chǎn)生明顯的振動(dòng)與位移現(xiàn)象，尤其是在沖擊試驗(yàn)中，對(duì)電池箱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也具備一定的要求，例如振動(dòng)試驗(yàn)要滿足在X軸、Y軸以及Z軸的振動(dòng)頻率范圍是20Hz至50Hz之間，保證最大加速度為30m/s2，保證在多次試驗(yàn)后電池箱結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化情況;

②碰撞安全要求，電池箱在汽車行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生慣性位移情況，可以采用電池固定帶對(duì)其進(jìn)行固定，保證碰撞時(shí)電池不會(huì)甩出車外，并且在產(chǎn)生碰撞時(shí)還要維持電池組的正常運(yùn)行狀態(tài)，避免發(fā)生短路情況。此外對(duì)絕緣、散熱、防水以及通風(fēng)等方面都存在一定的要求;

③質(zhì)量要求，電動(dòng)汽車的電池箱為保證自身電容量，就必須放松對(duì)整體質(zhì)量的控制，然而質(zhì)量過(guò)高會(huì)產(chǎn)生劇烈的慣性位移，同時(shí)還會(huì)存在碰撞損壞等隱患。因此在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)還要在保證電容量的同時(shí)盡量降低電池箱質(zhì)量，例如減少電池組外壁厚度等。

2 ?純電動(dòng)汽車電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池箱結(jié)構(gòu)主要包括線纜組件、箱體、連接器、電池單體以及電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，在針對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要從多方面進(jìn)行考慮，例如電池的通用性與互換性等，本研究將電池箱設(shè)計(jì)為無(wú)蓋長(zhǎng)方體形式，具體尺寸為長(zhǎng)720mm，寬210mm，高260mm，沿著長(zhǎng)方體方向在兩端各放置兩塊電池單體，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與線纜等組件放到電池箱中間區(qū)域。

2.2 構(gòu)建有限元模型

采用有限元模型對(duì)電池箱結(jié)構(gòu)的變化情況進(jìn)行分析，這樣可以準(zhǔn)確測(cè)定出電池箱組的應(yīng)變、應(yīng)力以及位移情況，再結(jié)合調(diào)試優(yōu)化方案進(jìn)行綜合分析，可以為最優(yōu)調(diào)試方案提供數(shù)據(jù)支撐。電池箱有限元分析的分析目標(biāo)為急剎車、急轉(zhuǎn)彎以及劇烈顛簸振動(dòng)狀態(tài)下電池箱的變化情況，并且可以分為靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)分析兩種狀態(tài)。首先在動(dòng)態(tài)分析中需要開展相應(yīng)的響應(yīng)分析與固有特性分析，也就是電池箱的振動(dòng)頻率與振型，這樣可以準(zhǔn)確判定出電池箱的動(dòng)態(tài)荷載情況，同時(shí)在模態(tài)分析模式，可以得到電池箱的固有頻率，這也是判斷電池箱是否產(chǎn)生共振的主要依據(jù)。因此在圍繞動(dòng)態(tài)分析結(jié)果開展優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要電池箱滿足一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，并且在調(diào)試幫助下逐漸找到最佳狀態(tài)。

2.3 電池箱結(jié)構(gòu)靜態(tài)模擬分析

在針對(duì)電池箱進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，需要將其結(jié)構(gòu)單元矩陣作為參考對(duì)象，也就是應(yīng)變矩陣，通過(guò)對(duì)單元節(jié)點(diǎn)的位移變化情況進(jìn)行分析，這樣可以判定出電池箱結(jié)構(gòu)材質(zhì)與質(zhì)量對(duì)其外部應(yīng)力與位移造成的影響。針對(duì)應(yīng)力應(yīng)變與位移之間的關(guān)系進(jìn)行分析，將二維單元的應(yīng)力矩陣與節(jié)點(diǎn)位移效果相結(jié)合，采用直接法或迭代法對(duì)平衡方程進(jìn)行計(jì)算。

為進(jìn)一步驗(yàn)證電池箱的靜態(tài)分析結(jié)果，還要對(duì)結(jié)構(gòu)材質(zhì)與熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，首先時(shí)電池箱的結(jié)構(gòu)材質(zhì)，現(xiàn)階段電動(dòng)汽車的電池箱材質(zhì)主要分為鋁合金、高強(qiáng)鋼以及普通鋼板等，上述材料都有各自的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用特點(diǎn)，其中鋁合金由于密度較低，因此整體質(zhì)量較低，如果合理控制其碰撞與振動(dòng)反應(yīng)下的變化情況，能夠有效減輕電池箱的整體質(zhì)量。其次是熱傳導(dǎo)系數(shù)，散熱性能作為電池組的重要作業(yè)指標(biāo)，采用鋁合金材質(zhì)具有良好的導(dǎo)熱與散熱能力，而且還具備機(jī)械加工優(yōu)勢(shì)，具備良好的耐腐蝕能力。因此本研究最終將鋁合金選定為電動(dòng)汽車電池箱的結(jié)構(gòu)材質(zhì)。此外結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求，為保證電池箱結(jié)構(gòu)的整體成本，首先將電池箱的部件厚度設(shè)定為4mm，并且在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行調(diào)試，在實(shí)驗(yàn)中僅考慮車輛在此狀況下的受荷載情況。

模態(tài)分析也分為低階模態(tài)與高階模態(tài)。其中低階模態(tài)主要反映電池箱的剛度特征，通過(guò)模態(tài)結(jié)果確定車身與電池箱共振頻率范圍，從而進(jìn)行控制避免共振。在電池箱動(dòng)態(tài)分析時(shí)低階模態(tài)對(duì)電池箱影響要高于高階模態(tài)，用低階模態(tài)反映固有振型和固有頻率。

2.4 靜動(dòng)態(tài)結(jié)果分析

利用有限元軟件針對(duì)電池箱進(jìn)行動(dòng)態(tài)與靜態(tài)模擬分析，根據(jù)電池箱應(yīng)力云圖可以準(zhǔn)確掌握電池箱結(jié)構(gòu)在各種外力影響下的變化情況，當(dāng)電池箱的質(zhì)量為4.35kg時(shí)，屆時(shí)電池箱的最大應(yīng)力數(shù)值為126.0MPa，一階模態(tài)數(shù)值為119.31Hz。此時(shí)最大應(yīng)力反應(yīng)主要集中在電池箱的前后另個(gè)側(cè)面，其中一階模態(tài)最大值主要產(chǎn)生于電池箱的底部。針對(duì)鋁合金材料進(jìn)行調(diào)試，將其屈服極限調(diào)整為295MPa，屆時(shí)電池箱的最大應(yīng)力數(shù)值為126.0MPa，這說(shuō)明電池箱結(jié)構(gòu)在多個(gè)方面都具備很大的優(yōu)化提升空間。

3 ?純電動(dòng)汽車電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在針對(duì)電動(dòng)汽車的電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用局部逼近的數(shù)字迭代方式進(jìn)行計(jì)算，也就是將動(dòng)態(tài)頻率設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo)，首先以減輕電池箱質(zhì)量為目的，根據(jù)相關(guān)理論形式進(jìn)行分析，當(dāng)電池箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值較低時(shí)，電池箱整體結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生明顯變化，然而在實(shí)際工作中需要考慮綜合方面的影響因素，也就是將靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)分析相結(jié)合，避免電池箱組與車體產(chǎn)生共振反應(yīng)，例如將其振動(dòng)頻率調(diào)整為與車身振頻相差20Hz至50Hz之間即可。

之后要采用二分法進(jìn)行逼近試驗(yàn)，保持其他條件不變，針對(duì)電池箱厚度進(jìn)行調(diào)整，例如當(dāng)電池箱的材料厚度為1.8mm時(shí)，屆時(shí)的應(yīng)力數(shù)值為157.8MPa，滿足應(yīng)力要求。隨后將材料厚度調(diào)整為1.65mm，屆時(shí)的應(yīng)力數(shù)值為178.0MPa，也能夠滿足應(yīng)力要求，并且不會(huì)發(fā)生極限變形現(xiàn)象，此時(shí)電池箱組的靜態(tài)分析結(jié)果如圖1所示。

結(jié)合圖1能夠得知，當(dāng)電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，其最大應(yīng)力數(shù)值為178.0MPa，發(fā)生在電池箱中部通風(fēng)散熱孔附近;電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的位移變化數(shù)值為5.774mm，發(fā)生在電池箱底部中央位置;電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模態(tài)數(shù)值為102.44Hz，電池箱前后兩端的振動(dòng)情況比較明顯，屆時(shí)能夠保證電池箱組的整體質(zhì)量為3.463Kg，相比優(yōu)化之前減輕18.85%。

4 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，純電動(dòng)汽車作為今后汽車生產(chǎn)制造行業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)，需要不斷對(duì)其設(shè)計(jì)理念與技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化革新，尤其是電池箱組的設(shè)計(jì)，作為電動(dòng)汽車的核心構(gòu)成部分，要從多方面入手，針對(duì)電池箱組的綜合應(yīng)用性能進(jìn)行調(diào)試，這樣才能同時(shí)保證電池箱的應(yīng)用價(jià)值與電動(dòng)汽車的安全性。本研究針對(duì)純電動(dòng)汽車的電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究，首先闡述電池箱的作用與設(shè)計(jì)要求，其次通過(guò)建立有限元模型從對(duì)電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并且從電池箱材料、厚度等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化結(jié)果如下：當(dāng)電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，其最大應(yīng)力數(shù)值為178.0MPa;電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的位移變化數(shù)值為5.774mm;電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模態(tài)數(shù)值為102.44Hz，電池箱組的整體質(zhì)量為3.463Kg，相比優(yōu)化之前減輕18.85%。

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池箱作為電動(dòng)汽車的核心組成部分，其整體結(jié)構(gòu)與功能性會(huì)直接影響到電動(dòng)汽車的駕駛效果。基于此，文章針對(duì)純電動(dòng)汽車的電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究，首先闡述電池箱的作用與設(shè)計(jì)要求，其次通過(guò)建立有限元模型從對(duì)電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并且從電池箱材料、厚度等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，旨在促進(jìn)純電動(dòng)汽車電池箱的綜合應(yīng)用價(jià)值。希望對(duì)相關(guān)研究人員提供參考與借鑒。

Abstract： With the rapid development of science and technology， it provides a good foundation for the development of pure electric vehicles， so that it can actively respond to the economic development needs of low-carbon environmental protection. As the core component of electric vehicles， the battery box's overall structure and functionality will directly affect the driving effect of electric vehicles. Based on this， the article studies the optimization of the battery box structure of pure electric vehicles. First， the role and design requirements of the battery box are described. Secondly， the establishment of a finite element model is used to simulate and analyze the battery box structure， and from the battery box material and thickness. Conduct experiments in order to promote the comprehensive application value of pure electric vehicle battery boxes. Hope to provide reference and reference for relevant researchers.

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;電池箱;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化

Key words： electric vehicle;battery box;structural design;optimization