基于拓撲優化的電動汽車電池包托盤結構優化研究

高超 丁志友 高偉釗

（1.上海伊控動力系統有限公司，上海 201804；2.上海迅仿工程技術有限公司，上海 201821）

主題詞：電池包 托盤 仿真 拓撲優化

1 引言

隨著我國“碳達峰”“碳中和”目標的提出，環保的理念越來越深入人心，純電動汽車也在交通中占有越來越重要的地位。王品健等研究表明電池包作為動力電池的主要載體，在維護新能源汽車安全和防止外界沖擊方面起到關鍵的作用。為此，工信部在2020年發布了新的電池安全標準，GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，規定了振動、沖擊、模擬碰撞和擠壓等若干試驗工況要求，以保證電池包在整車行駛過程中的安全性。國內外許多研究機構和研究人員對電池包進行輕量化或者結構性能的優化，北京理工大學王露對電池包的箱體進行了拓撲等優化設計，實現了在輕量化前提下的動態剛度性能的提升。廣汽蔚來的楊楊等人研究了電動汽車側柱狀對電池包的侵入影響，并進行了優化設計，使電池包側柱撞最大侵入量降低。

目前，電池包主要由鈑金上蓋和托盤總成組成。其中鈑金上蓋剛度較低，對整包結構剛度貢獻較小。托盤是安裝模組或者電芯的主要承載結構，其剛度和強度對電池包的安全起到至關重要的作用，托盤下部安裝有底護板結構。一種典型的電池包結構件如圖1所示。

圖1 一個典型的電池包結構組成位置

目前，電池包托盤多數采用鋁材料，擠壓或鑄造工藝，其結構設計更多地考慮空間和工藝的影響，對后期結構法規性能只是通過后期CAE仿真和設計驗證計劃（Design Verification Plan,DVP）進行試驗驗證，在概念設計初期無法驗證。

本文結合某純電動汽車電池包的鑄造托盤結構要求，采用拓撲優化技術，對電池包在前期概念設計階段進行了加強筋分布概念設計。在一定程度上輔助電池包結構設計，尋找到框架的最優化材料分布，進而實現質量和性能的平衡。

2 優化理論

優化設計需要具有設計變量，目標函數和約束條件這3要素。設計變量是在優化過程中發生改變從而提高性能的一組參數。目標函數就是要求的最佳設計性能，是關于設計變量的函數。約束條件是對設計的限制，是對設計變量和其它性能的要求。其數學模型通常用式（1）表示。

式（1）中，為維空間可行域下的的設計變量；()為目標函數；h()為等式約束；g()為不等式約束。

式（1）中，設計變量可以是一組或多組基本參數。基本參數的性質不同，所代表的設計內容就不同。例如選取長寬高或者厚度就是研究幾何尺寸和目標函數的關系，選取質量、密度和速度就是研究物理參數和目標函數的關系。

目標函數一般為結構的重量、體積、應變和振動頻率，目標函數決定著結構優化的方向，設計變量會在可行域內逐步向著目標函數逼近，直到滿足目標函數的要求后，停止迭代。

設計中，目標函數和約束函數是從有限元分析中獲得的結構響應。設計變量則是根據優化問題的類型選擇不同的屬性，比如在拓撲優化中，根據變密度法，設計變量為單元的密度。

在拓撲優化中，優化方法一般選擇最速下降法或序列二次規劃法，其原理是通過梯度計算尋優方向進而進行優化計算。在Genesis軟件中，會自動選擇優化的方法，實現高效優化計算。

3 優化設計

3.1 建模方法

我國在2020年發布了《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，其中對于動力電池包的各類機械性能提出了新的要求。符興鋒等提出擠壓試驗和耐振試驗是對托盤總成要求較高的試驗工況。一般為了加快計算效率，在概念優化設計階段轉化為靜態強度工況進行等效分析。

根據法規要求和工程經驗，選擇5種常見工況進行分析，具體工況如表1所示。

利用仿真前處理軟件HyperMesh建立電池包托盤總成的仿真模型，該軟件對復雜結構劃分網格具有一定的優勢。托盤材料牌號為鋁A356，材料參數如表2所示。

整體采用Tetras（四面體單元）進行網格剖分，單元平均尺寸為5 mm，屬性為PSOLID類型。內部的模組采用質量點掛在在其重心位置表征質量，建立的模型如圖2所示。

3.2 優化方法

根據電池包托盤的結構特點，將部分鑄件加強筋區域填充變更為設計區域進行優化設計，如圖3所示，正面共2個區域，反面共4個區域。

所以，優化問題可以描述為：

（1）設計變量：單元等效密度（密度法）；

（2）設計目標：應變能最小；

（3）設計約束：質量分數≤20%；

（4）制造約束：向起筋和對稱設計。

表1 工況參數表

表2 材料屬性參數

圖2 托盤結構模型

經過優化計算得到新方案材料分布如圖4所示。

從計算結果可以初步得到3點結論：

（1）前后吊耳到中間小縱梁應盡量增加材料分布；

（2）中間橫梁的中部對整體剛度起到較大的作用；

（3）頭部吊耳和側前部吊耳之間應增加材料連接。

圖3 局部加強筋填充變更設計區域

圖4 優化結果

根據優化的結果，結合工藝和美觀要求，重新建立優化模型加強筋特征，如圖5所示。

圖5 局部優化方案

將優化設計后的局部加強筋結構形式與原始設計進行細節對比，如表3所示。可以看到經過拓撲優化后的設計不再是傳統框格形式，而是一種簡潔仿生的點面結合形式，除滿足結構剛強度要求外，還具有一種獨特的設計美學。

3.3 優化結果對比分析

分別計算原始模型和優化模型的5種工況的剛度性能，將其進行對比，整理如表4所示。

通過仿真結果可以看到，優化方案形變在向擠壓、向擠壓、向振動和扭轉工況4個工況中均有一定程度的提升，僅在彎曲工況中則略有下降，整體性能提升明顯。計算對比2種方案的質量，均為14.8 kg，2種方案在同一水平。

表3 材料屬性參數

通過加載載荷與變形之間的比值可以計算得到2種方案的剛度數據，整理并匯總剛度結果如表5所示。

從分析數據可以得到看到優化方案平均剛度得到了超過2%的提升，最低提升為2.7%，最高提升了5.1%。

4 結論

通過Genesis軟件進行動力電池包托盤結構的優化設計，并通過仿真驗證其優化效果。在結構設計概念階段考慮5種法規試驗工況要求，對加強筋的部分可優化空間內的材料分布進行了優化設計。優化設計后的結構在質量沒有增加的情況下，通過拓撲優化改變材料分布，電池包托盤在平均剛度提升了2%以上。本文基于拓撲優化技術，對電池包的結構精細化設計提供了一個思路。

通過優化設計和仿真計算，有利于了解托盤結構的基本性能優化空間，對下一步系統的試驗驗證和整車配套提供了保障，達到降本增效的目的。

表4 結果對比表

表5 剛度優化結果匯總