電動汽車電池箱輕量化設計

康元春,劉俊峰

(1.湖北汽車工業學院 汽車工程學院, 湖北 十堰 442002;2.湖北汽車工業學院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室, 湖北 十堰 442002)

0 引言

電池箱是動力電池的主要承載部件,為電池系統提供承載的同時也起到保護作用。電池箱的質量影響著動力電池的續航里程,如何在保證強度、剛度等性能的前提下對電池箱進行輕量化,有效延長續航里程,有重要的研究意義[1-2]。

近年來已有很多學者對電池箱輕量化進行了研究。楚博[3]針對電池箱部件功能不同,分別選擇拓撲、尺寸及形貌優化,在保持良好的靜態性能前提下,整體質量減少并且其動態性能得到明顯改善。王品健等[4]將原電池包材料替換為鋁合金,并進行結構優化,在保證靜態性能的前提下,整體質量減輕,且動態性能得到明顯改善。余萬銓[5]基于DFA原則簡化電池箱整體零件,在替換輕質材料與結構優化后降低了箱體質量。程必良[6]通過對上蓋的形貌優化,箱體底部承載梁的拓撲優化及截面的尺寸優化,解決了應力集中、位移過大的問題,同時提高了電池包結構低階固有頻率,優化了結構動態性能。朱新春[7]以電池倉的靜剛強度、質量及擠壓變形為目標進行多目標設計,有效減少了電池倉質量。陳靜等[8]選用碳纖維復合材料替換鋁合金下箱體,優化箱體尺寸及鋪層順序,在有效減重的前提下大幅改善電池箱動態特性。陳元[9]在電池箱上采用了多種材料,以模態頻率、變形量等為指標進行輕量化。

上述對電池箱輕量化研究多集中于結構優化或采用單一輕質材料替換后進行優化。電池箱不同位置板件對材料性能要求不同。將合適的材料用在電池箱合適的位置的設計已有初步研究,但如何選擇輕質材料,并將其與電池箱不同位置板件進行匹配,從而充分發揮材料性能并實現電池箱輕量化,有待于進一步研究。

基于上述問題,探討采用TOPSIS法為電池箱選擇備選材料,并綜合考慮電池箱質量、強度、剛度等因素,運用正交試驗方法將備選金屬材料與電池箱不同位置板件進行匹配,從而為電池箱不同位置的板件選擇合適的材料,最后對多材料電池箱進行了尺寸優化。

1 電池箱靜力分析和模態分析

1.1 動力電池箱體建模

該電池箱由箱體、箱蓋、吊耳、底部支架、內部支架、電器支架、壓條支架、壓條及附屬電氣系統組成。通過CATIA創建箱體結構,運用Hypermesh分析靜態特性。箱蓋、內部支架、壓條支架厚度為1.5 mm,箱體、底部支架、電器支架、壓條厚度為2 mm,吊耳厚度3 mm。原箱體材料均采用Q235鋼,其密度為7.85 g/cm3,泊松比為0.3,彈性模量為210 GPa,屈服強度為235 MPa。

忽略電氣系統,對模型進行抽中面處理,使用2D殼單元建立模型網格,箱體、箱蓋網格尺寸為10 mm,其余部件網格尺寸為5 mm。電池箱各部件之間采用ACM單元模擬焊點,箱體和箱蓋、吊耳和外部支架采用螺栓連接,壓條支架通過螺栓與內部支架連接在一起,底部支架、內部支架和電器支架焊接在下箱體上,模型共74 630個單元和74 327個節點,其中主要單元類型為四邊形網格,三角形網格519個,占單元總數的0.70%,低于推薦標準5%。電池箱整體質量46.6 kg,電池模組及電氣設備采用mass單元進行配重,滿載質量241.1 kg,所建立的電池箱有限元模型如圖1所示。

圖1 電池箱有限元模型

1.2 靜力分析

電池箱的靜態分析選擇緊急制動、急轉彎、垂向顛簸3個極限工況加載慣性力載荷,載荷大小與方向如表1所示。

表1 各工況慣性力大小和方向g

電池箱通過外部支架的8個螺栓孔與車身連接,在各工況分析中約束螺栓孔的6個自由度,對電池箱整體施加慣性力。

3種工況的位移與應力值如表2所示。對比3種工況可知,垂向顛簸最為危險,電池箱最大位移和最大應力較另2種極限工況更大。因此,在后續優化分析時僅考慮該靜力工況的影響。其位移與應力云圖如圖2所示,最大位移集中在上蓋板中央,最大應力集中在各螺栓孔處。

表2 各工況下最大位移與應力

圖2 垂向顛簸工況位移與應力云圖

1.3 模態分析

采用約束模態獲得電池箱低階模態頻率,計算得一階頻率為16.866 Hz。

電動汽車在各種路面上行駛時,由車輪引起的激振頻率一般在1～28 Hz,當車速低于100 km/h時,激振頻率一般低于28 Hz。為了避免電池箱在汽車行駛過程中共振,改善電池箱整體的動態性能,應將一階頻率控制在28 Hz以上[10]。

2 電池箱輕質材料的選擇及匹配

2.1 TOPSIS法

TOPSIS法,全稱為Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,中文常翻譯為優劣解距離法,該方法能夠根據現有的數據,評價方案與最優(劣)解之間的距離對個體進行評價排序,如果該方案接近最優解而遠離最劣解,則該方案排序靠前即為較優,反之則為較劣[11]。

增加距離權重確定各組因素對于所求結果的重要性,這里通常有層次分析法、熵權法和CRITIC權重法3種權重計算方法。其中,層次分析法需要專業人士判斷矩陣數據,有很強的主觀性;熵權法則是利用數據的信息差異,判斷因素蘊含的信息量,相對而言更加客觀,但在一些罕見的無法客觀賦予權重的影響因素上就需要避免使用這一方法;CRITIC權重法在計算權值時,不僅考慮到了變異對于指標的影響,還考慮了指標之間的關聯性,更加全面[12]。

2.2 確定備選材料

從電池箱常用材料中選取9種備選金屬材料[13],如表3所示。

表3 選材性能參數

對各項決策指標進行標準化處理,計算得熵權系數分別為0.370、0.179、0.129、0.138、0.184。代入標準化矩陣得到帶權重的標準化矩陣。

計算各方案到優劣解的距離,得到相對貼合度Si。Si越大,方案越優。

從表4可得,Al6061-T6、AZ91D這2種材料相對鋼材在綜合性能上有較大優勢。后續選擇這2種材料作為輕量化替換材料,結合原有Q235材料,使其發揮各自優勢,滿足各部件對性能的需求,材料性能參數如表5所示。

表4 優劣解集和評價指標

表5 備選材料性能參數

2.3 電池箱輕質材料選擇

2.3.1 試驗設計

為各部件選用合適的材料,采用正交試驗法進行試驗。將電池箱6個主要部件作為分析因素,基于表5中3種材料,得到試驗設計方案L18(36)。針對箱體結構的靜動態特性,選用箱體質量、垂向顛簸工況下最大位移、最大應力以及一階頻率為評價指標,正交試驗結果如表6所示。

表6 正交試驗結果

2.3.2 正交試驗結果分析

采用極差分析的方式分析各因子在不同水平下的結果,得到如圖3所示的極差分析圖。

圖3 極差分析圖

從極差分析圖中可以看出,因素A在水平1時位移、應力最小,頻率最大。因素B、因素E在水平3時綜合性能較好。因素C、因素F在水平2時位移最小、頻率最大,且質量與水平3相差無幾。因素D在水平1時位移最小,頻率最大,應力低于材料屈服強度。綜合考慮性能需求、減重因素,在滿足性能需求的情況下選擇減輕質量方案,即箱體、底部支架選擇Q235材料,箱蓋、內部支架選擇AZ91D材料,吊耳、電器支架選擇Al6061-T6材料。該方案的各項數據如表7所示。

表7 替換材料電池箱性能

為電池箱不同板件選用不同材料后,得到的電池箱模型在各工況的位移和應力均大于原模型,且一階頻率為16.796 Hz,低于車輪激振頻率28 Hz。為提高電池箱的一階頻率,將通過尺寸優化的方法,調整電池箱各部分尺寸厚度,以進行進一步優化。

3 電池箱優化設計

3.1 形貌優化

模態分析發現一階頻率較低,與由車輪引起的激勵頻率接近,因此采用形貌優化方法提高一階模態頻率。以箱體質量最小為目標,以一階模態頻率大于28 Hz和垂向顛簸工況最大位移小于初始結構位移為約束,經過14次迭代計算,形貌優化結果如圖4所示,優化后一階頻率為35.25 Hz。

圖4 箱蓋形貌優化結果

3.2 多目標尺寸優化

3.2.1 設計變量與優化目標

在本次試驗中選用自適應拉丁超立方進行采樣,采用全局響應面法進行尺寸優化[14-15]。將電池箱各部件板厚ti作為設計變量,其初始值及上下限見表8。

為對材料替換后的電池箱進一步優化,在減輕質量的同時保證其性能,以質量最小、垂向顛簸工況最大位移、最大應力最小為目標,一階頻率大于等于28 Hz為約束對電池箱體做多目標優化。

電池箱優化數學模型為

(1)

式中:Mass為箱體質量;SD為垂向顛簸工況最大位移;SS為垂向顛簸工況最大應力;FM為一階頻率;ti max、ti min分別為設計變量的上下限。

3.2.2 電池箱尺寸優化及結果

在HyperStudy中創建優化模型,迭代計算得到最優解集。從中選擇質量最小且滿足電池箱體性能需求的解。得到的厚度尺寸結果方案為t1=1.564、t2=1.395、t3=4.027、t4=3.733、t5=3.546、t6=4.112。

將電池箱各板件厚度進行圓整,得到最終輕量化電池箱,參數如表9所示。

表9 圓整后電池箱參數

對最終輕量化電池箱方案進行剛、強度校核,優化后電池箱各工況位移見表10,優化后各工況位移較原方案均大幅降低,最大位移發生部位由上蓋板中部變為電器支架。各工況最大應力均在外部支架的螺栓孔附近,各工況最大應力值如表10所示。各工況最大應力較優化前均大幅度減小,并且小于支架所用Q235材料的屈服強度。相比原方案,優化后電池箱重41.3 kg,減重5.3 kg,減重率達11.37%,滿足強度、剛度要求,且一階頻率為39.943 Hz,避開了由車輪引起的激勵頻率。

表10 優化前后電池箱各工況最大位移和最大應力

4 結論

1) 采用基于CRITIC權重法的TOPSIS法對電池箱常用輕量化金屬材料的密度、彈性模量、抗拉強度、屈服強度、伸長率等性能進行分析,為電池箱挑選出2種綜合性能較佳的備選材料。

2) 運用正交試驗設計和極差分析方法,綜合考慮了電池箱的靜剛強度、質量、一階頻率因素,將備選材料與電池箱不同部件進行了匹配,得到電池箱多材料匹配方案。該多材料電池箱在各工況的應力均大于原模型,且一階頻率與由車輪引起的激勵頻率接近,容易發生共振。

3) 對多材料電池箱進行了形貌優化和尺寸優化。最終得到的電池箱模型,在滿足強度、剛度和低階模態頻率等要求的基礎上,電池箱質量降低,實現了輕量化。