基于有限元法的新能源汽車電池包箱體輕量化設計

鄭麗萍

（泉州職業技術大學，福建 晉江 362268）

0 引言

隨著人們節能環保意識不斷提高，各汽車公司大量開發純電汽車。純電汽車的能量來源于電池包，電池包的重量非常大，導致在同級別中純電汽車的重量遠超燃油汽車的重量，因此電池包輕量化具有十分重要的意義［1-2］。電池包由電池芯、散熱系統、箱體等組成，由于電池包箱體是影響電池包重量和電池包安全性的重要因素，所以為了降低電池包的重量、提升電池包安全性需要在電池包箱體輕量化的同時符合在各種復雜工況下的安全要求［3-5］。目前電池包箱體輕量化主要依賴經驗設計反復修改，導致結構冗余嚴重，需要花費大量人力和物力。隨著有限元技術的發展，通過該技術可以對電池包箱體進行結構優化和輕量化設計，大大提高了優化效率，降低了成本［6-9］。本文以某品牌新能源汽車的電池包箱體為實例，利用有限元技術完成電池包箱體靜態和動態的性能分析和輕量化設計。

1 電池包箱體仿真模型創建及性能分析

1.1 電池包箱體分析

圖1為某品牌新能源汽車電池包設計圖。電池包由箱體和上蓋組成，整體呈長方體結構，其尺寸為1650 mm×900 mm×150 mm，材料為ST14，材料參數如表1所示。箱體設計要求為位移小于3.5 mm、最大應力小于232 MPa、最大應變小于0.95。箱體由5塊板材焊接而成，箱體長側壁兩側設有用于固定車架的吊耳，側壁上方設有與上蓋螺栓相連的連接板；箱蓋由板材一體沖壓而成，箱蓋中設計多處散熱孔，便于電池組散熱，四周設有螺栓孔。

表1 電池包箱體材料的參數

圖1 電池包箱體設計圖

1.2 電池包箱體仿真模型創建

1.2.1 模型簡化

由于電池包由多個零件組成，既有內部電池模組、電池管理模塊等質量較大的零件，也有繼電器、溫度傳感器等質量較小的零件，如果將全部的零件都納入分析范圍，則會增加分析的時間，降低分析效率。因此，在進行電池包箱體仿真模型創建時，需要綜合考慮測算精度與計算效率，將對分析影響較小的零件進行簡化。本文將電池包內部的繼電器、傳感器、高壓線束和密封墊等質量較小的非結構件進行刪除，電池包內部電池管理模塊和熱管理模塊等質量較大的元件用質量點替代。

1.2.2 仿真模型創建

利用NX12.0 三維設計軟件完成電池包箱體三維模型設計，將整體模型合并為一體導出X-T格式文件，將文件導入Ansys Workbench 軟件，完成材料參數設置后通過Mechanical 模塊中的Sizing 功能設置網絡尺寸為1.2 mm，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2 電池包箱體原設計模型的靜動態工況分析

2.1 原設計模型的靜態工況分析

靜態工況分析主要是分析電池包在靜態條件下的結構變形情況，并獲得電池包的位移分布、應力分布和應變分布。由于箱蓋在整個電池包上起著密封作用，對靜動態工況分析影響較小，所以本試驗選取箱體進行分析。汽車在靜止時，箱體主要受到電池模組質量載荷，在進行靜態工況分析時需要約束4 個吊耳的自由度，在箱體底部施加電池模組質量載荷，通過求解獲得箱體靜態工況的位移分布、應力分布和應變分布，如圖3所示。由圖3（a）可以看出，箱體的位移主要是發生在底部，呈現橢圓形對稱分布，位移由中間區域向周圍逐漸減弱，最大位移位于中間區域，最大位移量為0.9723 mm，最大位移在允許范圍內；由圖3（b）可以看出，箱體的應力呈無規則分布，箱體底部中間和上下側區域應力較大，最大應力位于底部上下側位置，最大應力為95.25 MPa，小于材料的屈服強度232 MPa。由圖3（c）可以看出，箱體的應變呈無規則分布，上下側中間區域應變較大，最大應變為0.31462，整體應變在允許范圍內。

2.2 原設計模型的動態工況分析

汽車在公路上行駛會遇到各種路況，導致箱體受到多種載荷，如果只分析靜態工況顯然不夠合理，因此需要進行動態工況分析。路況形式有很多種，如果將每種路況都進行分析需要花費大量的時間，因此本文選取“顛簸+轉彎”和“顛簸+緊急制動”兩種典型的路況形式進行動態工況分析，兩種典型的路況參數如表2所示。

表2 2種典型路況參數

汽車行駛在“顛簸+轉彎”工況時，顛簸引起的垂向加速度為3 g，轉彎引起的側向加速度為1.85 g，同時還承受電池模組的質量210 kg，在進行動態分析時需要約束箱體吊耳與車架的平動和轉動自由度，以均勻分布形式在相應位置施加上述作用力進行求解，獲得“顛簸+轉彎”工況的位移分布、應力分布和應變分布，如圖4所示。由圖4（a）可以看出，箱體除吊耳周圍未發生位移外，其他區域都發生了位移，由于顛簸引起電池模組的顛簸慣性導致箱體底部的位移比靜態工況時產生的位移大，最大位移發生在箱體底部中間區域，最大位移為2.0372 mm；轉彎時汽車處于瞬間圓周運動，箱體受到轉動力導致電池包箱體四周發生微小的扭曲位移。由圖4（b）可以看出，箱體的應力呈分散分布，與靜態工況相比應力值有明顯增加，除了固定連接處外其他區域基本上受到較大應力，最大應力處于箱體與上蓋前側螺栓孔位置，最大應力為113.56 MPa，小于材料屈服強度。由圖4（c）可以看出，箱體應變分布與靜態工況時區別較大，整體呈分散且較均勻的分布，最大應變處于箱體側壁與吊耳連接處，最大應變為0.31993，最大應變在允許范圍內。

圖4 原設計模型的“顛簸+轉彎”工況分析結果

汽車行駛在“顛簸+緊急制動”的工況時，顛簸引起的垂向加速度為3 g，緊急制動的縱向加速度為3.2 g，同時還承受電池模組的質量210 kg，在進行動態分析時需要約束電池箱吊耳與車架的平動和轉動自由度，以均勻分布形式在相應位置施加上述作用力進行求解，獲得“顛簸+緊急制動”工況的位移分布、應力分布和應變分布，如圖5所示。由圖5（a）可以看出箱體底部和縱向兩側均發生位移，箱體底部由于受顛簸影響產生較大的位移，最大位移量為2.6731 mm，縱向兩側由于緊急制動的慣性也產生位移，除此外其他部位位移較小，最大位移在設計范圍內。由圖5（b）可以看出，箱體的應力分布比“顛簸+轉彎”工況的應力更均勻，四個吊耳的連接區域的應力較小，其他區域應力較大，最大應力發生在電池倉右側螺栓孔位置，最大應力為118.62 MPa，最大應力未超過材料的屈服強度。由圖5（c）可以看出，箱體最大應變發生在電池倉右側螺栓孔位置，最大應變為0.86261，最大應變在允許范圍內。由分析可知，與“顛簸+緊急制動”工況相比汽車在“顛簸+轉彎”的工況時的位移、應力和應變都有明顯增加，這有可能是由于汽車緊急制動產生的慣性比汽車轉彎產生的慣性大所引起，但總體指標均在設計范圍內。

圖5 原設計模型的“顛簸+緊急制動”工況分析結果

3 電池包箱體輕量化設計及性能分析

3.1 結構輕量化設計

由上述分析可知，電池包箱體在靜態和動態工況的位移、應力和應變都在設計允許范圍內，多個指標遠小于設計值，說明箱體結構設計過于保守，存在輕量化空間。根據靜態和動態分析的位移、應力和應變結果對箱體所有部位的厚度進行縮減，厚度由原來6 mm 縮減至3 mm，在箱體底部和四周側面增加寬度為2 mm 和厚度為1.5 mm 的網狀筋，提升了整體強度，箱體的重量由優化前的110.56 kg 下降至62.74 kg，輕量化效果明顯，設計如圖6所示。

圖6 結構輕量化設計圖

3.2 輕量化后的性能分析

3.2.1 輕量化后的靜態性能分析

將結構優化后的箱體導入Ansys Workbench 軟件，與優化前相同參數設置進行網絡劃分、約束設置和作用力加載，求解得到靜態的位移分布、應力分布和應變分布，如圖7所示。由圖7（a）可見，位移主要分布在箱體底部，最大位移為1.0688 mm，與優化前的0.9723 mm 相比增加了9.92%；由圖7（b）可見，應力主要分布在箱體底部及底部與相鄰的四周側壁，最大應力為103.56 MPa，與優化前的95.25 MPa相比增加了8.72%；由圖7（c）可見，箱體底部及底部與四周側壁交界處應變較大，最大應變為0.37571，與優化前的0.31462相比增加了19.42%。雖然輕量化后箱體的靜態位移、應力、應變比輕量化前有所增加，但仍然在設計要求范圍內。

圖7 輕量化后的靜態性能分析結果

3.2.2 輕量化后的動態性能分析

將優化后的電池包箱體導入Ansys Workbench軟件中，與優化前相同動態參數設置進行網絡劃分、約束設置和作用力加載，求解得到“顛簸+轉彎”工況的動態性能分析圖（圖8）和“顛簸+緊急制動”工況的動態性能分析圖（圖9）。由圖8（a）可以看出，箱體的位移主要分布在底部和縱向側壁，最大位移為2.7167 mm，與優化前的2.0372 mm相比增加了33.35%；由圖8（b）可以看出，箱體的應力主要分布在底部，側壁的應力較小，最大應力為125.73 MPa，與優化前的113.56 MPa相比增加了10.72%；由圖8（c）可以看出，箱體的應變主要分布在底部和縱向側壁，最大應變為0.37571，與優化前的0.31993 相比增加了17.44%。雖然輕量化后箱體在“顛簸+緊急制動”工況的位移、應力、應變比輕量化前有所增加，但仍然在設計要求范圍內。

圖8 輕量化后的“顛簸+轉彎”工況性能分析結果

由圖9（a）可以看出，箱體的位移主要分布在底部，最大位移為3.1423 mm，與優化前的2.6731 mm相比增加了17.55%；由圖9（b）可以看出，箱體的應力主要分布在底部，側壁部分區有較小應力，最大應力為131.52 MPa，與優化前的118.62 MPa 相比增加了10.88%；由圖9（c）可以看出，箱體的應變主要布在底部及底部與側壁交界處，最大應變為0.93453，與優化前的0.86261 相比增加了8.34%。雖然輕量化后箱體在“顛簸+緊急制動”工況的位移、應力、應變比輕量化前有所增加，但仍然在設計要求范圍內。

4 結論

本文以某品牌新能源汽車電池包箱體為研究對象，分析原設計模型的靜態和動態工況的性能，在此基礎上進行結構優化，優化后的重量下降了43.25%。與優化前相比，在靜態工況的位移、應力、應變分別增加9.92%、8.72%、19.42%，在“顛簸+轉彎”工況下位移、應力、應變分別增加33.35%、10.72%、17.44%，在“顛簸+緊急制動”工況下位移、應力、應變分別增加17.55%、10.88%、8.34%。優化后的箱體在靜態和動態工況的位移、應力、應變均在設計要求范圍之內，同時重量大幅度下降，輕量化效果明顯。