極限工況下動力電池箱體結構設計和性能分析*

黃建祥，林歆悠，李明林，高永華，黃 裕，廖國才

（1.龍巖市海德馨汽車有限公司，福建龍巖 364000；2.福州大學機械工程及自動化學院，福州 350116；3.福建特種設備檢驗研究院龍巖分院，福建龍巖 364000）

0 引言

動力電池較普通消費類電池具有更高的能量密度、更高的充放電性能和更長的使用壽命，對于推動電動交通的發展起到至關重要的作用。動力電池作為電動車輛的核心部件，其安全性得到了高度重視[1]。電池箱體是電池組的載體，在電池安全防護方面起關鍵作用。電池箱體的結構設計要求其防護等級、強度、剛度、散熱、密封等滿足行業標準。隨著新能源車的快速發展，應急車輛也開始嘗試使用動力電池作為儲能或動力來源[2]。然而，對于礦山采礦行業，應急車輛的應用則面臨著極端惡劣的環境。這使得對于動力電池箱體的結構剛度和強度的要求更加嚴格。

隨著動力車輛的發展，動力電池箱體結構樣式各異，主要是為了適應不同類型的電池包結構。當前的電池包結構有“類平板型”、“刀片型”、“土字型”、“丄型”和電池底盤一體化等[1]。為了提高電池箱體的使役性能，有限元方法已廣泛用于各類電池箱體的結構設計[3-8]。

本文針對某型應急車輛的動力電池箱體，利用數字化技術和有限元方法進行結構設計、三維建模和強度剛度分析，校驗箱體性能，為車輛的研發和箱體結構的改進提供理論依據，減少樣品試驗次數、降低研發經費、縮短研發周期，有利于促進電動汽車行業發展。

1 電池箱體的結構設計

根據電池組及附件的尺寸大小，確定電池箱體的長寬高分別是1 205 mm × 955 mm × 122 mm。此外，電池箱體對自重、防腐、散熱和絕緣等的要求甚高。本文主要考慮箱體在行駛過程中承受的沖擊和振動問題。

1.1 電池箱體設計的要求

當今國內外對電池箱體設計在強度和剛度方面的部分要求[9]如下。

1.1.1 基本要求

電池箱體的設計關系到整車的安全性，所以其首要目標就是保證在汽車行駛時的變形和應力分布在可接受范圍內。查閱相關標準，得知箱體需滿足電氣設備外殼防護等級IP67設計要求[10]。

電動汽車每增加1 kg，每行駛100 km 要多消耗5～10 W·h 的電能[11]。因此，在保證箱體強度可靠的前提下，通過優化結構或采用新材料等措施盡可能降低其重量。

1.1.2 碰撞安全性能要求

發生碰撞時，箱體應滿足下列要求。

（1）如果動力電池組安裝在乘客艙外，電池組及其附件不得穿透車身；如果動力電池組安裝在乘客艙內，電池箱體的任何移動不得觸碰乘客。但建議人電分離，所以電池組一般不放在乘客艙內[12]。

（2）如果發生碰撞時，箱內電池單體和附件不能散落，特別要避免電池箱體從車上甩出。

（3）如果發生碰撞時，電池箱體需保證因電池單體和附件的擠壓而產生的變形量在安全范圍之內。

綜上所述，電池箱體除了滿足極端工況下的應力和位移要求外，還應有較大的安全系數范圍。

1.2 電池箱體的布置方案

若將電池箱體布置在前艙。與燃油車發動機布置相似，可改善整車的軸荷分布情況以及動力性能，對電池的檢修方便。但前艙內還需布置動力和冷卻等系統，需較大空間。且發生車輛正面碰撞時，前艙的電池箱體將受到直接沖擊，易使電池組損壞，引發事故。對于后驅車型，需在中央通道布置傳動軸，且離乘客艙過近，存在潛在危險。因此不推薦將電池組布置在前艙和中央通道位置。

若將電池箱體布置在后備箱中。雖便于電池拆裝，但占用行李箱空間。而且電池質量較大，前后輪載荷分配不合理，將導致汽車轉向特性傾向過轉向，操縱穩定性變差[13]。因此也不建議布置在后備箱中。

因此，車身底板下方是較理想的布置空間。該方案空間利用率高，且箱體位于大剛度車架內側，碰撞時所受沖擊載荷較小。箱體安裝在中部能降低汽車重心，整車操縱穩定性和平順性得到改善[14]。但該位置工作環境較惡劣，電池易受到侵蝕，故箱體需要完全密封，且需要滿足最小離地間隙，以使車輛能通過不同路況。綜上所述，最終確定某型車輛電池箱體布置在車身底板下方。具體電池箱體（綠色）的布置位置如圖1所示。

1.3 電池箱體的結構設計

1.3.1 上蓋設計

上蓋主要作用是密封，受力不大，針對輕量化問題可選用高強度的工程塑料作為上蓋材質，但是考慮到電磁屏蔽，決定使用鍍鋅薄鋼板，并采用沖壓成型工藝[15]。為提高上蓋和下箱體的密封效果，在上蓋的邊緣進行翻邊處理，在裝配時可以包裹住下箱體的凸緣，起到防止密封圈脫落的作用，并且該結構在一定程度上可以引導液體流向電池箱體外部，避免液體對電池系統造成破壞。在加工過程中需嚴格控制邊緣的平面度，使上蓋、密封圈和下箱體更好的貼合。上蓋和下箱體之間通過M8 螺栓連接，螺栓數目需綜合考慮拆裝的工作量和上蓋、下箱體之間的緊密程度，最終決定在平面XY內呈對稱布置，X方向上有12 個螺栓孔，Y方向上有10 個螺栓孔，孔中心位置則與下箱體壁之間有足夠的扳手空間。

1.3.2 下箱體設計

電池組、BMS、環氧樹脂板和均衡板等附件放置在下箱體中，所以下箱體內部需要有內箱體、擋塊、壓條等結構來固定電池組和其他附件，保證在汽車行駛過程中電池組不發生竄動。下箱體內設計有3 個內箱體、21個帶M10的螺紋孔的安裝塊、15個擋塊和15根壓條，多種結構相互配合將各部件的位置固定。本文僅考慮電池組的布置，對于其他附件的布置只預留空間，不做深入討論。下箱體凸緣的螺栓孔參考上蓋的位置進行設計，同理，對于凸緣的平面度公差也要求較高。

1.3.3 固定結構設計

箱體要有足夠強度防范電池組的沖擊，因此在箱體底部焊有X、Y方向的橫縱梁來增加承載強度。在下箱體和橫縱梁中焊接有托腳，托腳經緩沖墊與車身之間通過螺栓緊固連接，使電池箱體懸掛在汽車底板下方。固定點應盡可能均勻對稱布置，使每個螺栓均勻地承受載荷。據工程經驗指導，安裝固定點建議為6～10個，本文選用10個托腳來進行固定[16]。

圖1 電池箱體的布置位置

（1）箱體內共布置有3 個內箱體，每個內箱體內有10 個單體電池，呈上下排列，總共布置單體電池30 個，電池總質量約為135 kg；

（2）內箱體通過擋塊定位，電池組通過內箱體和壓條固定；

（3）上蓋和下箱體之間有密封圈，并通過螺栓進行連接固定；

（4）橫縱梁、下箱體和托腳焊接在一起，箱體與汽車底板之間總計有10個固定點。

箱體部件數模渲染圖和實物圖如圖2所示。

圖2 箱體部分部件渲染圖、裝配圖和實體圖

2 電池箱體有限元模型的建立

2.1 材料、厚度和接觸關系的定義

電池箱體在汽車行駛過程中承受多種形式的載荷，綜合考慮箱體安全性、輕量化和防腐等要求，選材需滿足噴涂性好、焊接性好、成型加工性好、屈服性好[17-118]等要求。

3) 根據上述研究結果，在對水齡較長的壓載水進行處理時，僅需對壓載艙底層壓載水和沉積物進行處理，便能在大大減少壓載水的處理量的同時實現對壓載水的有效管理。此外，在評估壓載水排放是否達標時應重點監測艙底的壓載水和沉積物。

因此，上蓋、下箱體、內箱體的材料選用DC03；托腳和橫縱梁需要較高的屈服強度來增長其使用壽命，所以選用SAPH440鋼板。DC03和SAPH440的材料機械性能如表1所示。

表1 箱體所用材料的機械性能

箱體各部件厚度需考慮其受力情況、空間限制和輕量化等問題。綜合多方因素，箱體各部件的材料和厚度如表2所示。

密封圈材料屬于超彈性材料，采用兩參數的Mooney Rivlin 模型構造聚氨酯橡膠特性，其應變能擬合曲線和機械性能分別如圖3和表3所示[19]。

表2 箱體各部件的材料和厚度

圖3 聚氨酯橡膠應變能擬合圖

表3 聚氨酯橡膠的機械性能

在有限元中一般有五種接觸方式，分別適用不同的情況，各種接觸方式的特點列舉如表4[20]所示。

表4 有限元軟件接觸方式及特點

根據上述的接觸方式特點，定義箱體各部件之間的接觸方式如表5所示。

表5 電池箱體部件間的接觸方式

經上述接觸關系定義，共產生57對接觸關系。

2.2 網格劃分和網格質量控制

綜合考慮計算效率、仿真精度和計算機性能等多方面需求，采用網格自動劃分功能，在壓條、螺紋孔、加強筋等部位的網格進行細分。由于密封圈材料的非線性，需要將Shape Checking 選項設置為Aggressive Mechanical；Element Midside Nodes選項設置為Dropped。

網格質量極大地影響結果可靠性，根據力學結構網格質量檢查標準，反復調整劃分方法來滿足網格質量要求，最終箱體有限元模型節點數為701 337，網格數為359 356，有限元模型如圖4所示。

圖4 箱體的有限元模型

3 電池箱體靜態特性分析

本文僅討論某型車輛電池箱體在3 種極端工況下的靜態特性，分別是顛簸路面上急剎車、急加速和急轉彎。查閱汽車仿真文獻，箱體在顛簸路面行駛時上下方向要抵抗3g的加速度，在急剎車時前后方向要抵抗1.5g的加速度，在急轉彎時左右方向也要抵抗1.5g[13]。還需假設前提條件：（1）為簡化計算忽略附件質量；（2）上蓋幾乎不受力。為更好地觀察將箱體上蓋和密封圈隱藏。

由于密封圈材料的非線性，需在求解控制中將Large Deflection 選項設置為On；在靜態分析時，材料定義中需將Mooney-Rivlin 2 Parameter 選項打開，Isotropic Elasticity選項將自動抑制。

單體電池的重量是4.5 kg，在3種工況下，施加在每個內箱體下底板上的載荷都為1 323 N，方向垂直向下。

3.1 顛簸路面上急轉彎工況

除垂直方向外，施加在內箱體側圍板和通風道上的載荷是132.3 N，方向與行駛方向相反；施加箱體自身的重力加速度。由于箱體左右對稱，只需分析一個方向即可，本文以車輛左轉為例。

如圖5所示，在顛簸路面上急左轉彎時，箱體最大位移在第1個內箱體上壁處，數值為0.060 4 mm；所受最大應力分布于右邊第2個托腳處，數值為62.084 8 MPa。

圖5 顛簸左轉彎路況下的總位移和應力云圖

3.2 顛簸路面上急加速工況

除垂直方向外，施加在內箱體后板上的載荷是661.5 N，方向與行駛方向相反；施加電池箱體自身的重力加速度。

如圖6 所示，在顛簸路面上急加速時，箱體最大位移在第1 個內箱體上壁處，數值為0.055 5 mm；所受最大應力分布于左邊第2個托腳處，數值為56.589 0 MPa。

圖6 顛簸急加速路況下的總位移和應力云圖

3.3 顛簸路面上急剎車工況

除垂直方向外，施加在每根壓條上的載荷是132.3 N，方向與行駛方向相同；施加電池箱體自身的重力加速度。

如圖7 所示，在顛簸路面上急剎車時，箱體最大位移在第2 排中間壓條處，數值為0.076 9 mm；所受最大應力分布于第2排第1根壓條處，數值為64.670 0 MPa。

圖7 顛簸急剎車路況下的的總位移和應力云圖

綜合以上3種工況，箱體所受最大應力均發生在托腳或壓條處，其材料SAPH440的屈服強度為305 MPa，最大應力值為64.67 MPa 小于材料的屈服強度，安全系數為4.72，有較高的可靠性。由靜力學分析可知，該電池箱體可以承受在其行駛過程中遇到的極端工況，不會發生危險。

4 電池箱體模態特性分析

在模態分析時，材料定義中需將Isotropic Elasticity選項打開，Mooney-Rivlin 2 Parameter 選項將自動抑制。本文選用Direct，即Block Lanczos法，對電池箱體進行自由模態分析，提取箱體結構的前10 階固有頻率和振動部位，如表6所示。

表6 箱體前10階自由模態結果

由表可知，前6 階的固有頻率都在6 Hz 以下，甚至接近于0，其余頻率皆在57 Hz 以上。前6 階模態屬于剛體模態，不具參考價值。在汽車行駛時，箱體將承受路面和電機振動等載荷的共同激勵，該激勵下的頻率大概在30 Hz左右[14]。

綜上，電池箱體最低固有頻率大于激勵頻率，不會產生共振，具有較好的抗振性能。箱體的第7～10階自由模態振型如圖8所示。

圖8 箱體第7-10階自由模態振型圖

從振型圖看出，振動主要在上蓋部位，所以上蓋的剛度較差，需對上蓋結構進行改進。

但汽車行駛時不是自由狀態，施加載荷或約束會使結構剛度變化，基于上文靜態分析中3種極端工況對電池箱體進行約束模態分析，結果極其相近，以顛簸路況上緊急制動工況為例，箱體在預應力狀態下前6階的固有頻率如表7所示。

表7 電池箱體前6階約束模態計算結果

由表可知，電池箱體在預應力狀態下固有頻率遠大于共振頻率，所以在某型車輛行駛時，電池箱體的抗振安全性也較高。

5 結束語

本文以某型車輛電池箱體為例，完成設計、建模和有限元分析過程。結論如下。

（1）箱體所受最大應力為64.67 MPa，強度符合設計要求。但是最大應力遠小于材料的屈服強度，存在浪費材料的問題，建議選用屈服強度較低的材料，減小部件厚度并將部件的材料統一，達到節省成本、降低自重和簡化制造過程的目的；

（2）箱體的最小固有頻率為57.30 Hz，避開綜合激勵頻率，在行駛過程中不會產生共振。但是主要振幅集中在上蓋，上蓋不宜是一個大平面，建議沖壓出加強筋來提高其剛度和抗振能力。

本文僅從結構強度對箱體進行設計分析，在密封性和散熱性等方面考慮不周全，而這些問題對于電池系統也是致命的，需進一步深入討論。

目前國內外對電動汽車電池箱體的研發尚屬于起步階段，相關的規范性文件亟待出臺和完善，其所需滿足的標準和仿真條件都是基于工程經驗確定的，準確性仍待進一步討論。