純電動乘用車動力電池箱體設計優化及仿真分析

楊明 喬延濤 蔡存朋 張醒國 劉天寶

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春130013）

0 引言

在新能源汽車政策的激勵下，自2010年以來我國新能源電動汽車取得了快速發展，電動汽車產品性能、產能、銷量都有大幅提升。隨著技術不斷進步，電動汽車的成本大幅降低，動力性能和駕駛性能已經超過傳統汽車。特別是動力電池能量密度的快速提升使得汽車續駛里程越來越接近傳統汽車。

但是隨著電動汽車的發展，其安全問題越來越凸顯。這就要求在電動汽車產品設計初期，工程師需要從用戶角度出發，充分識別產品安全風險并進行充分驗證。動力電池作為純電動乘用車的能源存儲部件，其性能直接影響整車安全性、動力性、經濟性和使用便利性。從近年來電動汽車事故統計數據來看[1]，動力電池已成為電動汽車安全事故的焦點，因此動力電池的安全是電動車設計的重中之重。動力電池的安全性包括了機械安全、電氣安全、熱安全和環境安全。而電池箱體作為動力電池的核心承載件，其結構的可靠性直接與電池總成的機械安全性強相關。電動車在行駛過程中發生的動力電池箱體密封失效、固定結構開裂失效均與電池箱體結構可靠性直接相關。國內在電池安全設計和試驗方面做了大量研究，中國汽車技術研究中心王芳等[2]系統性地闡述了動力電池系統安全分析、設計原理、流程與方法，并對動力電池系統設計與制造進行了系統梳理和論述[3]，閆婉等[4]闡述了動力電池振動疲勞的測試驗證策略與具體實施方法。

電池箱體作為動力電池的主要組成部分，承載了電池主體質量，也是電池與整車固定的載體。為了提高電池安全性及車輛的經濟性，需要保證電池箱體結構設計可靠與輕量化。同時，在設計過程中充分利用結構CAE 仿真優化技術，從隨機振動、沖擊、擠壓和密封多維度進行仿真分析及優化，可有效提升動力電池總成機械安全性能，避免發生因動力電池箱體設計剛度和強度不足所引發的各種安全事故，如電池箱體結構開裂導致電池密封失效引發絕緣風險，又如電池箱體內部模組或配電盒固定結構失效導致電池高低壓電連接異常引發電壓跳變、短路風險。基于CAE 仿真分析結果，可在設計階段對電池箱體的機械可靠性進行評價及改善，從而避免結構設計強度不足，進而提高電池安全性，有效降低電動汽車安全風險。

國內外學者在電池結構優化方面做了很多研究。付靜江[5]通過有限元分析方法，對動力電池包進行靜態載荷工況計算。陳南等[6]通過建立精細化有限元模型，進行溫度場模擬及結構優化，這是提高電池包研發能力的重要方向。賈峰等[7]通過結構拓撲優化與形貌優化，提高了電池箱體機械性能。蔡揚揚等[8]提出，車身和底盤電池箱體結構一體化、一次成形和連接技術輕量化將是電池箱體結構設計主要趨勢。歐陽威等[9]提出了一種基于數值優化與有限元仿真相結合的動力電池箱體輕量化設計方法。劉娜等[10]綜合運用有限元仿真工具，為電池箱體結構輕量化改進提供了指導思路。Hartmann 等[11]使用有限元優化軟件，優化了電池箱體結構設計，減少了電池箱體質量。Kaleg等[12]結合Von Mises等效應力與許用應力的材料強度分析方法，對電池箱體結構壁厚進行了優化。Xia等[13]提出了一種分析電池底部碰撞的通用方法，為電池箱體設計提供了指南。Kukreja 等[14]提出一種可保證電池安全的多功能電池系統，有助于改善在整車碰撞中的能量吸收。Zhang等[15]提出一種基于截斷奇異值響應面模型的有限元模型更新方法。

本文在上述研究案例靜態分析基礎上，引入隨機振動疲勞損傷分析模型，通過疲勞損傷分析，有效識別結構薄弱點，基于仿真結果對箱體結構設計進行優化改善，有效提高了電池箱體的結構可靠性。

本文根據電池模組布置形式對箱體進行初步結構設計，綜合CAE 仿真結果進行設計優化。經模態、振動仿真分析確認，箱體結構優化后的方案可以有效改善箱體的結構可靠性。

1 電池箱體初版方案設計

純電動汽車動力電池常布置在整車地板下，電池箱體作為電池的承載件，在汽車行駛過程中，承受來自道路的多種振動工況和整車加速減速帶來的機械沖擊，所以電池箱體從材料選擇和結構設計上都需要確保其本身有足夠的機械強度，以保證動力電池系統穩健和可靠。

1.1 電池箱體材料選擇

隨著電動汽車續駛里程和能耗要求提高，電池系統能量密度水平也相應提高，應用輕量化材料可有效減輕電池質量并提高能量密度，進而降低能耗提升續駛里程。目前，在電池包上應用比較成熟的輕量化材料有鋁合金和復合材料2大類，表1列出了2種材料的對比。

表1 鋁合金材料和復合材料對比

本文箱體方案選擇鋁合金材料，電池箱體在邊框和底板上采用形腔結構，起到加強作用。為保證良好的擠出成形工藝，主體壁厚設計為2 mm。焊接工藝對鋁合金強度影響較大，本方案選擇焊接變形小的連接工藝，主體采用攪拌摩擦焊連接工藝，局部采用熔化極惰性氣體保護焊（Metal Inert Gas，MIG）連接工藝。

1.2 箱體結構設計

本文電池總成邊界輸入為2 000 mm×1 300 mm×140 mm，內部14 個電池模組采用圖1 所示的布置方式，以做到空間利用率最高。箱體初步設計思路如下：

圖1 電池模組布置示意

（1）每排模組間采用貫通箱體的加強橫梁支撐，如圖2所示共計6條橫梁，形成完整順暢的傳力路徑，在整車側碰時防止箱體嚴重變形。

圖2 電池箱體示意

（2）箱體四周邊框高度高于模組重心位置，當電池總成受到擠壓時，可以更好的避免模組損傷。

（3）在箱體邊框兩側分別對稱設計6 個整車吊裝固定點，固定點位置在兩條橫梁中間，靠近模組重心位置，可以對模組起到更好支撐。

（4）箱體四周邊框與地板、橫梁采用焊接方式連接。

2 電池箱體有限元分析

動力電池箱體結構主要按照GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》[16]的工況，并結合整車實際工況進行仿真分析。本文選取約束模態及隨機振動2個方面進行有限元分析。

2.1 有限元建模

在有限元前處理軟件HyperMesh 中建立電池箱體分析模型，如圖3所示。有限元模型主要包括上蓋總成、箱體總成、模組、冷卻板、控制器等結構，其中，鈑金結構采用殼單元模擬；鑄造結構采用四面體實體單元模擬；型材結構采用6面體單元模擬，焊縫用實體焊縫模擬。各部分結構之間根據實際情況定義接觸關系。

圖3 電池總成有限元前處理

2.2 模態分析

模態分析主要進行系統的約束模態分析，計算動力電池箱體在約束狀態下各階振動頻率與振型，并和整車激勵頻率進行比較，避免電池結構固有頻率與整車激勵頻率相同或接近而引發電池箱共振。

通過模態分析可得系統1階約束模態振動頻率為27 Hz，振型如圖4 所示。經過判斷，該1 階振動頻率低于設計限值要求的35 Hz，與整車激勵頻率接近，有共振造成電池箱體結構損壞的風險。

圖4 模態分析結果示意（1階）

2.3 隨機振動分析

隨機振動分析的目的是計算電池受到長時間隨機振動所帶來的累積損傷。隨機振動分析的加載條件來源于道路試驗采集時間和加速度路譜數據轉化的功率譜密度（Power Spectral Density，PSD），本文所采用的隨機振動載荷如表2所示，每個方向測試時間為12 h。

表2 隨機振動測試功率譜密度 g2/Hz

分別在X、Y、Z方向進行隨機振動分析，并進行疲勞損傷計算得到3 個方向損傷云圖。如圖5～圖7 所示，X向隨機振動工況下箱體局部損傷大于1，Y、Z向隨機振動工況下箱體損傷遠大于1。損傷高的位置主要集中在橫梁焊縫位置及箱體中部區域。

圖5 箱體X方向隨機振動損傷

圖6 箱體Y方向隨機振動損傷

圖7 箱體Z方向隨機振動損傷

電池箱體隨機振動工況下損傷高于限值，有振動破壞風險。

3 第2輪方案設計優化及仿真分析

3.1 箱體設計優化

根據第1 輪仿真分析結果，該電池總成1 階模態的振型為電池總成中部區域振動，在27 Hz 的振動頻率下，中部區域會發生共振，產生較大變形；隨機振動損傷值高的位置主要分布與橫梁中部區域及橫梁2側焊縫區域。

分析原因為該電池Y向尺寸大，箱體內部無縱梁結構，因此導致中部區域剛度差，隨機振動工況下2側焊縫區域受力較大。

結合CAE仿真結果，對箱體結構設計進行了優化改善，主要措施如下。

（1）如圖8所示，在電池箱體中部增加2個縱梁結構，用于在電池箱體橫梁下方提供支撐結構，改善電池箱體在Y方向的剛度，進而提高電池箱體中部結構強度。

圖8 電池箱體優化方案示意

（2）優化箱體橫梁和邊梁焊接結構，并在拐角增加加強結構，用于改善橫梁與邊梁焊縫連接強度。

3.2 仿真分析

針對電池總成2 輪設計方案進行仿真分析，計算結果顯示電池總成2輪設計方案的1階約束模態振動頻率提升到28 Hz，振型為底板中部前、中、后3個區域的局部共振，如圖9所示。經過判斷，該1階振動頻率低于設計限值要求的35 Hz，不滿足設計要求。

圖9 模態分析結果示意（1階）

由于電池總成的1 階模態提升較少，僅對電池總成Z方向的隨機振動進行了分析，損傷云圖如圖10所示，Z向隨機振動工況下電池箱體的損傷仍遠大于1，不滿足設計要求。

圖10 箱體Z方向隨機振動損傷

4 第3輪方案設計優化及仿真分析

4.1 箱體設計優化

根據第2 輪仿真分析結果，第2 輪電池總成設計優化模態振動頻率從27 Hz 提升到28 Hz，僅提升了1 Hz，遠未達到預期效果。分析原因為雖然本輪設計方案在電池中部區域增加了2個縱梁，但受制于布置限制，該縱梁高度僅為12 mm。

下面為簡支梁撓度計算公式[17]及矩形結構截面的慣性矩計算公式[17]：

式中，ymax為撓度；F為力；l為力臂長度；E為彈性模量；I為截面慣性矩。

式中，Iz為截面慣性矩；b為矩形截面寬度；h為矩形截面高度。

根據上述計算公式可知，在Z向隨機振動工況下，相較于寬度方向尺寸，高度方向尺寸對于結構梁剛度的影響程度更大。第2輪設計優化正是由于新增的縱梁高度較低，對于截面慣性矩的提升有限，因此對于電池總成1階模態的提升較小。

由于該電池總成X、Y方向跨度大，結合電池總成內部結構布置情況和總成重量信息，分析認為，在不增加中部固定點的情況下，單純通過設計加強梁的結構，較難實現電池總成剛度的大幅提升。因此，為了改善電池總成整體剛度和強度，并避免邊梁出現應力集中的情況，進而降低結構強度破壞失效風險，在整車布置可行的前提下，采用了以下措施。

（1）如圖11 所示，橫梁數量減少50%，寬度增加30%，同時橫梁高度增加15 mm，并在每根橫梁上設計2個對稱的整車固定點，提升電池總成中部結構強度。

圖11 電池箱體優化方案示意

（2）優化箱體橫梁和邊梁連接處結構，增加過渡圓角，減小應力集中。

（3）通過第1 輪仿真分析發現箱體邊梁受力情況較好，相應減小邊梁框架結構材料厚度。通過優化邊梁斷面及橫梁數量，新方案實現重量降低8%。

4.2 仿真分析

針對改進方案進行仿真分析，改進方案1 階約束模態振動頻率為55 Hz，振型為箱體前部中間區域局部振動，如圖12所示，遠高于整車激勵頻率，滿足1階模態設計限值要求。

圖12 模態分析結果示意（1階）

電池箱體X、Y、Z方向隨機振動損傷云圖如圖13～圖15所示，隨機振動工況下X、Y、Z方向損傷值均小于1，滿足設計要求。

圖13 箱體X方向隨機振動損傷

圖14 箱體Y方向隨機振動損傷

圖15 箱體Z方向隨機振動損傷

通過本輪的設計優化，大幅提高了電池總成的結構剛度和強度，實現了電池總成1階模態振動頻率大幅提升，并大幅降低了隨機振動工況下的結構損傷。結合本輪仿真結果，最終確定設計方案。

5 試驗驗證

根據第3 輪的設計方案試制了箱體樣件，并組裝成電池總成進行臺架驗證。試驗載荷譜按照表2 進行。

如圖16 所示，電池箱體隨總成進行X、Y、Z向隨機振動試驗,試驗路譜與仿真工況一致，試驗過程中電池總成無異常，試驗后箱體外觀無開裂等損傷。

圖16 隨機振動試驗

如圖17 所示，用振動試驗后的電池箱體進行海水浸泡測試，試驗后拆解電池上蓋，電池內部沒有浸水，證明電池箱體在隨機振動試驗后結構未發生密封失效。

圖17 海水浸泡試驗

如圖18 所示，對振動試驗后的電池總成進行拆解，拆解后觀察箱體內部狀態，箱體內部結構完整，無松動、變形、破壞和斷裂現象，電池模組固定螺栓力矩正常。

圖18 振動后的電池箱體

6 結論

本文闡述了電池箱體的材料選型，依據電池內部布置對電池箱體進行了詳細結構設計，并根據CAE仿真結果對結構方案進行了2 輪設計優化。通過CAE分析及設計優化，實現設計方案的快速迭代，減少了試驗風險，保證動力電池產品的安全可靠。

對于電池箱體設計，通過CAE 仿真分析，可以快速識別設計風險，并指導設計改進，從而縮短開發周期、減少試驗驗證次數，降低開發費用。

另外通過仿真與試驗共同驗證了，結構梁高度方向尺寸對其剛度的影響程度相較于其他方向尺寸更大，這對于電池箱體內加強梁的設計具有指導意義。