鋁合金電池包下殼體的設(shè)計(jì)與分析

金 鑫 李 斌 王東輝 周丹桐 王 歡

遼寧忠旺集團(tuán)有限公司 遼寧遼陽(yáng) 111003

1 設(shè)計(jì)背景

近年來(lái),隨著汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展及人們生活水平的顯著提高,汽車(chē)保有量急劇增加,對(duì)能源的依存度也越來(lái)越高,節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為世界各行業(yè),尤其是汽車(chē)工業(yè)目前發(fā)展所面臨的兩大難題。新能源汽車(chē)因其節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)得到人們的關(guān)注,并逐漸被大眾所認(rèn)可,其產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,已成為不可逆的趨勢(shì)。

電池作為新能源汽車(chē)的核心部件之一,有著舉足輕重的作用,其安全性尤為重要。電池的安全可靠性與自身的強(qiáng)度、抗沖擊性能有關(guān),車(chē)輛行駛時(shí),如果電池的結(jié)構(gòu)件因強(qiáng)度不足發(fā)生斷裂,可能會(huì)造成其內(nèi)部發(fā)生短路,從而引起爆炸。

電池包作為電池的主要載體,在車(chē)身中不僅起到裝載電池的作用,同時(shí)保護(hù)電池在受外力撞擊時(shí)不會(huì)受到損傷,其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求應(yīng)該滿(mǎn)足多變的運(yùn)行環(huán)境和行駛工況下的工作安全性和可靠性。所以,研發(fā)出具有高安全因數(shù)的電池包是新能源汽車(chē)的一個(gè)重要目標(biāo)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 材料屬性

筆者設(shè)計(jì)的電池包下殼體材料選用6063-T6鋁合金,其密度為2.7 g/cm3,合金成分及屬性分別見(jiàn)表1、表2。所設(shè)計(jì)的鋁合金電池包下殼體具有質(zhì)量輕、開(kāi)發(fā)周期短、使用壽命長(zhǎng)、易加工成型、耐腐蝕、耐沖擊等特點(diǎn)。

表1 6063-T6合金成分

表2 6063-T6材料屬性

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池包下殼體主要由左右邊梁、前后邊梁、中間隔板、底板四部分組成,輪廓尺寸為842 mm×636 mm×140 mm,質(zhì)量為16 kg,結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,中間隔板的設(shè)計(jì)主要用于分隔模組,便于電池包蓋板的安裝,以及起到增大冷卻面積、提升冷卻強(qiáng)度的作用。

圖1 電池包下殼體結(jié)構(gòu)

底板為對(duì)接結(jié)構(gòu),采用攪拌摩擦焊雙面焊接,接頭位置的寬度不小于軸肩寬度。邊梁與邊梁、邊梁與底板、中間隔板與底板均采用激光焊接工藝,優(yōu)點(diǎn)是焊接變形小,連接強(qiáng)度高,密封性好,能充分保證電池包符合IP67標(biāo)準(zhǔn)的密封要求。

2.3 型材斷面設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的電池包下殼體型材斷面數(shù)為四個(gè),如圖2所示。其中,前后邊梁采用相同的斷面型材,左右邊梁采用相同的斷面型材,三塊底板及兩個(gè)中間隔板采用相同的斷面型材,可以有效減少模具的投入,節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用,縮短開(kāi)發(fā)周期。此外,電池包下殼體采用集成液冷方式進(jìn)行冷卻,邊梁及底板可以作為冷卻通道。設(shè)計(jì)時(shí)采用多腔型材,既可以對(duì)電池包整體進(jìn)行減重,又可以增大冷卻面積,提高冷卻強(qiáng)度。

圖2 電池包下殼體型材斷面

3 仿真分析

電池包的機(jī)械安全性能主要包括承載,抗底部球擊、跌落、機(jī)械沖擊等。筆者以所設(shè)計(jì)的鋁合金電池包下殼體為研究對(duì)象,依據(jù)GB 38031—2020《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》,結(jié)合實(shí)際服役過(guò)程中的高發(fā)工況,利用仿真軟件進(jìn)行承載能力與擠壓仿真分析。

3.1 有限元模型

(1) 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。對(duì)電池包下殼體進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化,將倒角、圓角、細(xì)微孔等對(duì)仿真模擬分析結(jié)果影響不大的加工特征去除。

(2) 劃分網(wǎng)格。根據(jù)電池包下殼體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)簡(jiǎn)化后的模型采用Hypermesh軟件進(jìn)行抽中面、修補(bǔ)中面、分割面、劃分網(wǎng)格處理。選用殼單元建立有限元模型。采用剛性單元RBE2對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬。建立的電池包有限元模型網(wǎng)格尺寸為8 mm,共有63 775個(gè)單元,其中四邊形單元63 200個(gè),占總數(shù)的99%。

3.2 承載工況

電池包下殼體在200 kg質(zhì)量下沿重力方向施加3×9.8 m/s2加速度沖擊載荷,以驗(yàn)證承載能力。

電池包下殼體的位移云圖如圖3所示,最大位移為0.22 mm。根據(jù)仿真結(jié)果,得到電池包下殼體左右邊梁受到的應(yīng)力最大,如圖4所示。應(yīng)力最大值為15.08 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度,滿(mǎn)足承載要求。

圖3 承載工況位移云圖

圖4 承載工況左右邊梁應(yīng)力分布

3.3 擠壓工況

使用半徑為75 mm的半圓柱體,圓柱體長(zhǎng)度大于測(cè)試對(duì)象高度,但不超過(guò)1 m,分別沿汽車(chē)水平行駛方向X軸、垂直行駛方向Y軸對(duì)電池包下殼體進(jìn)行擠壓,即進(jìn)行橫向擠壓與縱向擠壓。擠壓力達(dá)到100 kN時(shí)或者變形量達(dá)到擠壓整體尺寸的30%時(shí),停止擠壓。

試驗(yàn)中,對(duì)擠壓圓柱體位移進(jìn)行限制,當(dāng)圓柱體位移量超過(guò)擠壓方向整體尺寸的30%時(shí),停止擠壓。此時(shí),擠壓力如果未達(dá)到100 kN,那么判定試驗(yàn)不滿(mǎn)足要求。

橫向擠壓變形仿真結(jié)果如圖5所示,擠壓力位移曲線(xiàn)如圖6所示。在整個(gè)擠壓過(guò)程中,擠壓力都達(dá)不到100 kN,擠壓力第一峰值為79.3 kN,因此不滿(mǎn)足大于100 kN的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 橫向擠壓變形仿真結(jié)果

圖6 橫向擠壓擠壓力位移曲線(xiàn)

縱向擠壓變形仿真結(jié)果如圖7所示,擠壓力位移曲線(xiàn)如圖8所示。在整個(gè)擠壓過(guò)程中,擠壓力在位移為26.75 mm時(shí)達(dá)到100 kN,滿(mǎn)足大于100 kN的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 縱向擠壓變形仿真結(jié)果

圖8 縱向擠壓擠壓力位移曲線(xiàn)

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)仿真結(jié)果,縱向擠壓工況滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,橫向擠壓工況未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)比分析得知,電池包下殼體在橫向,下殼體僅依靠左右邊梁的自身強(qiáng)度來(lái)抵抗橫向擠壓力,因此無(wú)法滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。筆者依據(jù)此情況,對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,如圖9所示。

圖9 電池包下殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在電池包下殼體內(nèi)部增加中間橫向隔板,總計(jì)六處,隔板采用多腔斷面6063鋁合金型材,在滿(mǎn)足強(qiáng)度的同時(shí),可以減小電池包的整體質(zhì)量。新增型材斷面如圖10所示。電池包下殼體整體尺寸仍為842 mm×636 mm×140 mm,質(zhì)量增大至22.441 kg。

圖10 新增型材斷面

5 橫向擠壓分析

在第一中心點(diǎn)位置,電池包下殼體在擠壓過(guò)程中的變形如圖11所示,擠壓力位移曲線(xiàn)如圖12所示。在整個(gè)擠壓過(guò)程中,擠壓力在電池包下殼體位移為25.76 mm時(shí)達(dá)到100 kN,滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第一中心點(diǎn)變形

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第一中心點(diǎn)擠壓力位移曲線(xiàn)

在第二中心點(diǎn)位置,電池包下殼體在擠壓過(guò)程中的變形如圖13所示,擠壓力位移曲線(xiàn)如圖14所示。在整個(gè)擠壓過(guò)程中,擠壓力在電池包下殼體位移為4.52 mm時(shí)達(dá)到100 kN,滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖13 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第二中心點(diǎn)變形

圖14 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第二中心點(diǎn)擠壓力位移曲線(xiàn)

通過(guò)仿真分析可知,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可以滿(mǎn)足橫向擠壓工況下電池包下殼體的強(qiáng)度大于100 kN的標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者根據(jù)鋁合金材料質(zhì)量輕、易加工成型、耐腐蝕、耐沖擊等特點(diǎn),設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款鋁合金電池包下殼體。采用6063鋁合金空腔擠壓型材,有效減小了電池包的整體質(zhì)量,達(dá)到輕量化的效果,間接提高了新能源汽車(chē)的續(xù)航里程。

鋁合金電池包下殼體經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,增加了中間橫向隔板。經(jīng)過(guò)仿真模擬分析,最終滿(mǎn)足了標(biāo)準(zhǔn)要求和使用條件。