某混動輕卡電池托架結構的優化設計

山東汽車制造有限公司 張志遠 葉新偉 鄭樂堂

采用有限元分析法，采用HYPERMESH進行前處理，采用OPTISTRUCT進行模態和強度分析，采用HYPERVIEW進行后處理。對原混動輕卡電池托架結構的強度進行計算分析，結果表明該托架結構的強度不足。針對這一問題，結合電池托架應力分布圖，對托架應力集中的部分進行優化，進行下一輪強度計算，使得托架結構滿足材料的屈服強度要求。

純電動輕卡是一種以動力電池作為能量來源的輕型載貨車。純電動輕卡具有排放無污染及能源利用率高的特點。但目前的純電動輕卡車輛續航里程還不足以滿足用戶日常需求，用戶依然會存在里程焦慮。混合動力輕卡作為純電動輕卡和傳統輕卡的結合體，有效地解決了電動輕卡用戶里程焦慮的問題。混動輕卡電池與純電動輕卡在電池布置形式上也有很大差別。純電動輕卡的電池包常置于車架兩側，混動輕卡對電量要求低，只需要單個電池包，將其布置在車架的一側。這就對電池包托架的結構有較高的要求。

1 電池托架技術要求

混動輕卡不同于純電動輕卡，是傳統輕卡與純電動輕卡的結合體，這就使得整車零部件布置更加緊密、復雜。交錯復雜的零部件布置嚴重影響了電池托架的布置。這使得在電池托架設計過程中要充分考慮各種工況下，電池包結構的受力情況要滿足材料的強度。為滿足電池托架強度要求以及整車布置要求，電池托架整體采用Q345B型鋼材。

電池托架整體結構布置如圖1所示：

圖1 電池托架整體結構

該電池托架總成由兩大部分組成，分別為電池托架底板和電池托架與車架連接的連接支撐板總成，二者在其連接處采用焊接固定，電池托架如上圖1所示。電池托架底板由U型槽鋼和矩形鋼管組成，部件之間均采用焊接，U型槽鋼和矩形鋼管配有減重孔。電池托架底板與連接板之間采用焊接的連接方式與此同時，支撐結構能夠將連接處的集中應力向托架底板處延伸。通過電池托架與車架連接的部分將電池托架與車架進行固定。其中，車架縱梁腹面及下移面均有固定點。

2 對電池托架進行CAE分析

對混動電池托架使用殼單元模擬，螺栓用RBE2+CBEAM單元模擬，縫焊采用RBE2單元模擬，混動電池質量為155Kg，使用mass單元模擬。約束托架與車架安裝處的123456自由度。載荷：垂向、轉彎、制動工況加載的載荷如表1所示：

表1 各工況施加載荷表

對模型采用HYPERMESH進行前處理；采用OPTISTRUCT進行強度分析；采用HYPERVIEW進行后處理。

圖2 轉彎、制動、垂向工況應力云圖

托架強度計算時采用垂向、轉彎、制動的極限沖擊工況。在轉彎工況下，混動電池托架的最大應力為154.3MPa，最大應力集中在托架底板與連接支撐板總成的連接處，未超過材料屈服強度。在垂向工況下，混動電池托架的最大應力為730.5MPa，最大應力同樣集中在托架底板與連接支撐板總成的連接處，遠超材料屈服強度。在制動工況下，混動電池托架的最大應力為133.0MPa，最大應力集中在托架底板與右側連接支撐板總成的連接處，未超過材料屈服強度。如圖2所示。

表2 混動電池托架強度統計表

結論：綜上所述，在上述三種工況下，混動電池托架的最大應力為730.5MPa，遠超出材料的屈服強度，出現在垂向工況；其他兩個工況未超出材料屈服強度。所以，電池托架在垂向工況下的強度并不能滿足要求。因此，需要進行結構優化。

3 結構優化

在垂向工況下，混動電池托架所受最大應力超過材料的屈服強度。且應力均集中在托架底板與連接板的焊接處，而整個電池托架底盤所受的應力很小。因此，設法在兩側添加側邊支撐板，側邊支撐板與電池托架底板采用焊接的方式固定。這樣一來，集中在連接處的應力能夠有效地分散到整個電池托架底板，能夠有效地解決連接處應力過大的問題。所以，根據CAE分析結果對電池包托架進行設計優化，考慮增加側邊支撐。

優化后的電池托架如圖3所示：

圖3 優化后的電池托架示意圖

4 優化后的電池托架CAE分析

對優化后的電池托架采取同樣的方法進行強度分析，分析結果如下：

在垂向工況下，混動電池托架的最大應力為226.2MPa，未超過材料屈服強度。增加了側邊支撐板后，垂向沖擊工況下托架底板連接處的應力不在集中，所受最大應力集中在側邊支撐板上部折彎處，但未超出材料的屈服強度。

在轉彎工況下，混動電池托架的最大應力僅為58.5MPa，應力主要集中在托架縱梁中心處，未超過材料屈服強度（托架材料Q345，屈服強度345MPa）。

在制動工況下，混動電池托架的最大應力為72.6MPa，最大應力主要集中在電池托架與車架縱梁下移面螺栓安裝孔處，未超過材料屈服強度（托架材料Q345，屈服強度345MPa）。

圖4 優化后的電池托架制動工況應力云圖

結論：在上述三種工況下，混動電池托架的最大應力為226.2MPa，出現在垂向工況；三種工況下未超出材料屈服強度。

表3 優化后的混動電池托架強度統計表

總結：優化前的電池托架與優化后的電池托架轉彎、制動工況所受應力均小于材料的屈服強度，優化后的電池托架轉彎、制動工況所受應力相較于優化前有所降低。優化前的電池托架與優化后的電池托架垂向工況下的受力差距明顯，電池托架的最大應力由730.5MPa降到226.2MPa，滿足材料Q345B的屈服強度。