電動汽車電池箱體輕量化設(shè)計

摘 要：【目的】以某電動汽車的電池箱體為研究對象，對電池箱體進(jìn)行輕量化設(shè)計。【方法】從材料輕量化角度入手，選擇不同的金屬材料，結(jié)合有限元分析，使用CAE仿真分析技術(shù)，建立電池箱體的有限元模型，并對電池箱體進(jìn)行4種典型工況下的靜態(tài)特性分析和模態(tài)分析。【結(jié)果】對電池箱下箱體有限元模型進(jìn)行了靜態(tài)特性分析，得到了3種材料下的電池箱下箱體的應(yīng)力云圖和變形云圖，并進(jìn)行相應(yīng)的分析；對3種材料下的電池箱下箱體前6階約束模態(tài)進(jìn)行了分析，得出了相應(yīng)的特征頻率。【結(jié)論】通過仿真分析得到的不同材料電池箱下箱體的靜態(tài)特性和模態(tài)特性數(shù)據(jù)，經(jīng)過評估和比較各種材料電池箱下箱體的整體性能，并綜合考慮了其經(jīng)濟(jì)適用性后，最終選擇采用鋁合金作為電池箱下箱體的輕量化材料。

關(guān)鍵詞：電動汽車；電池箱體；材料輕量化設(shè)計；CAE

中圖分類號：U465 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）17-0019-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.004

Lightweight Design of Electric Vehicle Battery Box

WANG Ning MA Haolan YAO Huijun

（ Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo 454950， China）

Abstract： [Purposes] Taking the battery box of an electric vehicle as the research object， the lightweight design of the battery box was carried out. [Methods] Starting from the perspective of material lightweight， different metal materials were selected. Combined with finite element analysis， CAE simulation analysis technology was used to establish a finite element model of the battery box. Then， static characteristic analysis and modal analysis were conducted on the battery box under four typical working conditions. [Findings] Static characteristic analysis was conducted on the finite element model of the lower body of the battery box， and stress and deformation diagrams of the lower body of the battery box under three different materials were obtained and analyzed accordingly; the first 6 constrained modes of the battery box under three different materials were analyzed， and the corresponding characteristic frequencies were obtained. [Conclusions] By analyzing the static and modal characteristics of different materials of battery boxes obtained through simulation， the overall performance of various materials of battery boxes under the box was evaluated and compared. After considering their economic applicability， aluminum alloy was ultimately chosen as the lightweight material for the battery box under the box.

Keywords： electric vehicle; battery box; material lightweight design; CAE

0 引言

近年來，我國新能源汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。在蓬勃發(fā)展的中國新能源汽車市場中，汽車廠商要想獲得更有利的市場競爭優(yōu)勢，就要進(jìn)一步提高新能源汽車在性能、續(xù)航里程等方面的技術(shù)水平。無論是傳統(tǒng)燃油汽車，還是純電動汽車，降低汽車能源消耗從而增加續(xù)航里程的有效方法之一便是減輕汽車自身的重量［1］。因此，汽車輕量化技術(shù)顯然成了一項必不可少的核心技術(shù)。汽車車身及其零部件的輕量化要求是：在保證汽車整體強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車整體的質(zhì)量，從而提高汽車的能耗經(jīng)濟(jì)性，減少能源消耗［2］。

純電動汽車為了滿足預(yù)期的續(xù)航里程要求，需要通過增加電池的數(shù)量或者裝配能量密度更高的電池［3］。而電動汽車的電池箱體是承載整個汽車動力系統(tǒng)的重要部件，需要滿足一定的強(qiáng)度與剛度標(biāo)準(zhǔn)，才能保證電動汽車正常行駛的安全性，所以往往采用較厚且較重的電池箱體來裝載電動汽車的動力電池系統(tǒng)。為了實現(xiàn)電動汽車輕量化，達(dá)到降低電動汽車能耗、提高續(xù)航里程的目的，本研究將從材料輕量化角度入手，對純電動汽車的電池箱體進(jìn)行輕量化的設(shè)計和研究。

1 電池箱下箱體有限元模型的建立

本研究的研究對象為某品牌純電動汽車，其動力電池為磷酸鐵鋰電池，該電池包結(jié)構(gòu)主要由上蓋、電芯、托架、下箱體等部件組成件組成。動力電池箱下箱體主要承載電池模組，并直接面對外部環(huán)境的干擾，經(jīng)常處于苛刻的工作環(huán)境中。因此，對下箱體的設(shè)計要滿足較高的機(jī)械性能需求，一般選用高強(qiáng)度的鋼板、鋁合金及鎂合金等材料。電池箱體裝配時的固定點(diǎn)數(shù)量通常需要8個以上，并且滿足對稱、均勻地分布。本研究主要以該電動汽車電池箱下箱體展開輕量化研究。

根據(jù)要求，對該款電動汽車的動力電池箱下箱體進(jìn)行初步設(shè)計。首先，對電池箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化處理，基于SolidWorks軟件建立幾何模型。模型參考該車的電池箱數(shù)據(jù)，長為2 092 mm、寬為1 464 mm、高為140 mm，并設(shè)計了12個螺栓固定點(diǎn)，每個螺栓孔的直徑為15 mm；其次，將構(gòu)建的電池箱下箱體三維模型在SolidWorks軟件中轉(zhuǎn)為Parasolid文件格式，并將其導(dǎo)入到Ansys Workbench 2022 R1處理軟件中；最后，在進(jìn)行有限元分析之前，對其進(jìn)行幾何清理，以簡化不必要的細(xì)節(jié)，從而在不影響計算精度的前提下，為后續(xù)的網(wǎng)格劃分和提高分析效率奠定基礎(chǔ)［4］。同時，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況和精度要求來選擇合適的單元尺寸，進(jìn)行網(wǎng)格劃分［5］。

本研究設(shè)計的動力電池箱下箱體結(jié)構(gòu)和形狀較為規(guī)則，故采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，電池箱體部件的單元尺寸設(shè)定為20 mm。電池箱下箱體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的結(jié)果如圖1所示。

2 靜態(tài)分析工況

電動汽車在實際行駛過程當(dāng)中，其車身零部件會受到各種路況的影響。由于在不同的路況下，汽車各零部件所受到的載荷也不相同，若通過有限元分析來計算各種工況下電動汽車動力電池箱下箱體所受到的應(yīng)力和變形分布情況較為困難。因此，在進(jìn)行靜態(tài)分析時，通常選取汽車在實際行駛中所遇到的典型工況進(jìn)行分析。

本研究選取4種典型工況來對動力電池箱下箱體進(jìn)行靜態(tài)分析，分別為在顛簸道路的情況下，前進(jìn)制動、后退制動、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎這4種典型工況，從而對不同材料的電動汽車動力電池箱下箱體進(jìn)行靜態(tài)性能的分析。

電動汽車動力電池箱的裝配是通過電池箱下箱體的12個螺栓固定點(diǎn)與底盤進(jìn)行連接的。因此，在有限元模型的分析中，應(yīng)限制這些螺栓固定點(diǎn)在X、Y、Z方向上的全部自由度。在實際行駛過程中，電池箱體任何工況下都以滿載狀態(tài)運(yùn)行，其中電池模組的配重大約為440 kg。根據(jù)汽車實際運(yùn)行情況，定義有限元模型X軸負(fù)方向為車輛前進(jìn)方向，Y軸負(fù)方向為駕駛員左側(cè)方向，Z軸正方向為垂直地面向上。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，動力電池箱下箱體在不同典型工況下對應(yīng)的加載和約束［5］見表1。

3 不同材料電池箱下箱體靜態(tài)分析

3.1 顛簸路面前進(jìn)制動工況

對電池箱下箱體在顛簸路面前進(jìn)制動工況時，進(jìn)行靜態(tài)分析。根據(jù)設(shè)計模型，在有限元分析軟件Ansys中導(dǎo)出該材質(zhì)的電池箱下箱體質(zhì)量，得到其滿載后質(zhì)量，并基于Ansys中靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊對其進(jìn)行靜態(tài)分析。電池箱裝載的電池模組在該工況下對電池箱下箱體產(chǎn)生的垂向沖擊載荷，以均布載荷形式加載在下箱體的底部與前部，分別為[Fz+]和[Fx-]，施加的載荷大小均為1.0 mg，由此可得到不同材料下，電池箱下箱體在顛簸路面前進(jìn)制動工況時的變形云圖。

Q235鋼材質(zhì)的電池箱下箱體在顛簸路面前進(jìn)制動工況時的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖2所示。從圖2可知，在顛簸路面前進(jìn)制動工況下，Q235鋼材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為76.214 MPa，最大變形值為3.253 7 mm。

同理，根據(jù)結(jié)果可知，在顛簸路面前進(jìn)制動工況下，鋁合金材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為65.781 MPa，最大變形值為7.823 8 mm。鎂合金材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為63.602 MPa，最大變形值為11.841 mm。

3.2 顛簸路面后退制動工況

對電池箱下箱體在顛簸路面后退制動工況時，進(jìn)行靜態(tài)分析。電池箱裝載的電池模組在該工況下對電池箱下箱體產(chǎn)生的垂向沖擊載荷，以均布載荷形式加載在下箱體的底部與后部，分別為[Fz+]和[Fx+]，施加的載荷分別為0.35 mg和1.0 mg，由此可得到不同材料下，電池箱下箱體在顛簸路面后退制動工況時的變形云圖。

Q235鋼材質(zhì)的電池箱下箱體在顛簸路面后退制動工況時的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖3所示。從圖3可知，在顛簸路面后退制動工況下，Q235鋼材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為76.214 MPa，最大變形值為3.256 8 mm。

同理，根據(jù)結(jié)果可知，在顛簸路面后退制動工況下，鋁合金材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為65.761 MPa，最大變形值為7.831 4 mm。鎂合金材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為63.569 MPa，最大變形值為11.853 mm。

3.3 顛簸路面左轉(zhuǎn)工況

對電池箱下箱體在顛簸路面左轉(zhuǎn)工況時，進(jìn)行靜態(tài)分析。電池箱所受的垂向沖擊載荷以均布載荷形式加載在下箱體的底部與右側(cè)，分別為[Fz+]和[Fy-]，施加的載荷分別為0.75 mg和1.0 mg，由此可得到不同材料下電池箱下箱體在顛簸路面左轉(zhuǎn)工況時的變形云圖。

Q235鋼材質(zhì)的電池箱下箱體在顛簸路面左轉(zhuǎn)工況時的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖4所示。從圖4可知，在顛簸路面左轉(zhuǎn)工況下，Q235鋼材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為75.502 MPa，最大變形值為3.279 4 mm。

同理，根據(jù)結(jié)果可知，在顛簸路面左轉(zhuǎn)工況下，鋁合金材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為65.096 MPa，最大變形值為7.882 mm。鎂合金材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為62.916 MPa，最大變形值為11.93 mm。

3.4 顛簸路面右轉(zhuǎn)工況

對電池箱下箱體在顛簸路面右轉(zhuǎn)工況時，進(jìn)行靜態(tài)分析。電池箱所受的垂向沖擊載荷以均布載荷形式加載在下箱體的底部與左側(cè)，分別為[Fz+]和[Fy+]，施加的載荷分別為0.75 mg和1.0 mg，由此可得到不同材料下電池箱下箱體在顛簸路面右轉(zhuǎn)工況時的變形云圖。

Q235鋼材質(zhì)的電池箱下箱體在顛簸路面右轉(zhuǎn)工況時的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖5所示。從圖5可知，在顛簸路面左轉(zhuǎn)工況下，Q235鋼材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為75.904 MPa，最大變形值為3.343 6 mm。

同理，根據(jù)結(jié)果可知，在顛簸路面右轉(zhuǎn)工況下，鋁合金材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為66.897 MPa，最大變形值為7.862 2 mm。鎂合金材質(zhì)的電池箱下箱體受到的最大應(yīng)力值為64.683 MPa，最大變形值為11.899 mm。

3.5 電池箱下箱體靜態(tài)性能評估

結(jié)合仿真分析結(jié)果可知這3種金屬材料下的電池箱下箱體在4個典型工況下的最大應(yīng)力值。而Q235鋼的屈服強(qiáng)度為235 MPa、鋁合金的屈服強(qiáng)度為259.2 MPa、鎂合金的屈服強(qiáng)度為154.9 MPa，因此，可以計算出各個典型工況下電池箱下箱體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，其結(jié)果見表2至表4。

表2 Q235鋼電池箱下箱體各工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

[載荷工況 最大應(yīng)力/MPa 屈服強(qiáng)度/MPa 安全系數(shù) 前進(jìn)制動 76.214 235 3.08 后退制動 76.214 235 3.08 左轉(zhuǎn)彎 75.502 235 3.11 右轉(zhuǎn)彎 75.904 235 3.10 ]

表3 鋁合金電池箱下箱體各工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

[載荷工況 最大應(yīng)力/MPa 屈服極限/MPa 安全系數(shù) 前進(jìn)制動 65.781 259.2 3.94 后退制動 65.761 259.2 3.94 左轉(zhuǎn)彎 65.096 259.2 3.98 右轉(zhuǎn)彎 66.897 259.2 3.87 ]

表4 鎂合金電池箱各載荷工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

[載荷工況 最大應(yīng)力/MPa 屈服極限/MPa 安全系數(shù) 前進(jìn)制動 63.602 154.9 2.44 后退制動 63.569 154.9 2.44 左轉(zhuǎn)彎 62.916 154.9 2.46 右轉(zhuǎn)彎 64.683 154.9 2.39 ]

根據(jù)表中計算出的數(shù)據(jù)可知，在4種典型工況下，3種材料的電動汽車動力電池箱下箱體所承受的最大應(yīng)力均低于材料自身的屈服強(qiáng)度。表明了在這4種典型工況下，3種不同材料的電池箱下箱體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均超過1，確保了其在一般條件下能夠正常使用。經(jīng)有限元仿真分析可知，鎂合金材料的屈服強(qiáng)度較低，導(dǎo)致該材料動力電池箱下箱體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較其他材料偏低，而鋁合金材料的電池箱下箱體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最高。基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，擬定安全系數(shù)為2，故根據(jù)表2、3、4中計算所得數(shù)據(jù)，3種材料的電動汽車動力電池箱下箱體在4種典型工況下的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均可以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 電池箱下箱體模態(tài)特性評估

本研究將計算模態(tài)分析，來獲得電動汽車動力電池箱下箱體的前6階約束模態(tài)。這3種不同材料的電池箱下箱體前6階約束模態(tài)分析結(jié)果見表5。

由表5可知，Q235鋼材料的電池箱下箱體的前6階模態(tài)固有頻率在26.777～52.044 Hz之間，其中電池箱下箱體的1階固有頻率為26.777 Hz；鋁合金材料的電池箱下箱體前6階模態(tài)固有頻率在27.11～52.751 Hz之間，其中電池箱下箱體的1階固有頻率為27.11 Hz；鎂合金材料的電池箱下箱體前6階模態(tài)固有頻率在26.963～52.504 Hz之間，其中電池箱下箱體的1階固有頻率為26.963 Hz。

依據(jù)《電動汽車動力蓄電池系統(tǒng)通用要求》（QC/T989-2014）和《汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件》（QC/T413-2002）的規(guī)定，若電池箱體的1階固有頻率不在激勵頻率范圍（17～25 Hz），則電動汽車動力電池箱體與車身及其他零部件將不會產(chǎn)生共振。結(jié)果表明，本研究所述的3種不同材料的動力電池箱下箱體，其1階固有頻率均不在激勵頻率范圍內(nèi)，將不會產(chǎn)生共振，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)實用性是衡量各汽車廠商在市場競爭中的一個關(guān)鍵因素。經(jīng)查閱可知，Q235鋼、鋁合金、鎂合金這3種材料的價格分別為4.3元/kg、25元/kg、60元/kg，那么使用鋁合金和鎂合金的材料制造的電池箱下箱體，成本相較于Q235鋼材料的電池箱下箱體分別增加516.84元和1 081.1元，都具有較高的經(jīng)濟(jì)適用性。而且經(jīng)過有限元分析可得，這2種材料都具有較好的綜合性能和輕量化效果。其中，鋁合金材料的電池箱下箱體在靜態(tài)分析時，在4種不同典型工況下的最大應(yīng)力和變形較低，具有較好的安全性能。然而，由于鎂合金的屈服強(qiáng)度較低，在4種不同典型工況下，鎂合金材料的電池箱下箱體的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)反而有所下降，因此，在本次電池箱下箱體輕量化設(shè)計的材料選擇中，不考慮使用鎂合金材料。

參考文獻(xiàn)：

［1］馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，等.論汽車輕量化［J］.中國工程科學(xué)，2009，11（9）：20-27.

［2］鞠曉鋒，陳昌明，吳憲.現(xiàn)代汽車輕量化技術(shù)［J］.上海汽車，2006（9）：31-33.

［3］榮祥濤.純電動汽車動力電池箱總成布置分析及優(yōu)化［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

［4］李海峰，吳冀川，劉建波，等.有限元網(wǎng)格剖分與網(wǎng)格質(zhì)量判定指標(biāo)［J］.中國機(jī)械工程，2012，23（3）：368-377.

［5］譚華江.某純電動汽車電池架多材料結(jié)構(gòu)輕量化研究［D］.湘潭：湖南科技大學(xué)，2017.

收稿日期：2024-08-27

基金項目：河南省科技攻關(guān)項目（242102240015）資助。

作者簡介：王寧（1990—），女，碩士，助教，研究方向：工程材料；姚會君（1989—），女，碩士，講師，研究方向：新能源汽車電池?zé)峁芾怼⑥D(zhuǎn)子動力學(xué)。