鋁合金電池包結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

李 冰，張德偉，谷 晗，徐 鑫，劉瑞萍，韓立勝

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

伴隨我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，新能源汽車以節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。電池包是新能源汽車的核心部件之一，是新能源車的唯一動(dòng)力來源。電池包設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響新能源汽車整車的性能[2]。其中電池包箱體對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)起著承載、裝配、安全防護(hù)的作用。因此，對(duì)電池包體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究具有重要意義。

M.Hartmann等[3]人運(yùn)用OptiStruct對(duì)電池包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了固有頻率，同時(shí)質(zhì)量減輕了20%。王文偉等[4]運(yùn)用三區(qū)間法對(duì)某汽車電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率疲勞響應(yīng)分析，分析表明電池包結(jié)構(gòu)滿足隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求。但是目前對(duì)全鋁結(jié)構(gòu)的電池包模擬研究相對(duì)較少。

本文以某全鋁電池包為研究對(duì)象，利用有限元法，對(duì)其電池包進(jìn)行了承載性能分析和動(dòng)態(tài)球擊分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 有限元模型的建立

本文研究的電池包由鋁型材通過焊接而成，材料為6061-T6。為減少模型前處理的工作量，在保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確率的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)的倒角、工藝孔等細(xì)小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。有限元模型(鋁合金材質(zhì))如圖1所示，6061材料屬性如表1所示。

表1 電池包材料屬性

圖1 有限元模型Fig.1 The finite element modal

由于電池包通過螺栓與車身連接，能約束電池包的安裝點(diǎn)，評(píng)價(jià)電池包的承載及底部球擊能力。

2 工況分析結(jié)果

2.1 承載能力分析

因考慮到續(xù)航里程，電池模組的重量相對(duì)較大；當(dāng)汽車行駛在凹凸不平路面或是加速啟停時(shí)，電池模組會(huì)對(duì)殼體產(chǎn)生較大的沖擊力。通過有限元法分析電池包殼體的承載能力。電池包殼體施加300 kg質(zhì)量，在3 g加速度下計(jì)算電池包體的承載能力(考慮安全系數(shù))，結(jié)果如圖2所示。電池包最大應(yīng)力為28 MPa，主要集中在電池包與車身連接位置，電池包框架的最大變形為0.1 mm。由分析結(jié)果可知，電池包具有較強(qiáng)的承載能力，滿足使用要求。

(a)應(yīng)力云圖；(b)位移云圖圖2 承載工況(a)stress cloud；(b)displacement cloudFig.2 The carrying condition

2.2 球擊分析

本文分析的電池包安裝在新能源車身底部，行駛過程中，車身底部會(huì)遭遇石頭或其他堅(jiān)硬物體的沖擊，若電池包底部設(shè)計(jì)薄弱，電池組會(huì)發(fā)生起火爆炸。通過底部球擊工況模擬計(jì)算，評(píng)價(jià)電池包底部抵抗沖擊變形能力。

使用直徑為φ150 mm的剛性球擊打電池包底部薄弱位置。電池包殼體底部與電池模組的最小間隙為安全距離，本文分析采用的電池包安全距離為12 mm。根據(jù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：當(dāng)剛性球的位移達(dá)到安全距離時(shí)，支反力小于25 kN，則電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。電池包薄弱點(diǎn)力-位移曲線如圖3所示。當(dāng)支反力為25 kN時(shí)，球的位移已經(jīng)達(dá)到11.8 mm，接近安全距離12 mm，電池包設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛度不滿足要求。需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖3 力-位移曲線Fig.3 Force-displacement curve

2.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

初版電池包殼體底部與電池模組間距較小，底部受到物體沖擊容易對(duì)電池模組及水冷系統(tǒng)造成影響，因此，對(duì)電池包底板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖4(b)所示。保證電池包安裝精度前提下，在底板設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，增加電池殼體底部與電池模組的間距的同時(shí)，提高結(jié)構(gòu)抵抗變形能力。

對(duì)比優(yōu)化前后的模型，電池包殼體底部距電池模組距離由12 mm增加到20 mm，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的薄弱位置的力-位移曲線如圖5所示。

(a)原始結(jié)構(gòu)；(b)改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖4 電池包結(jié)構(gòu)示意圖(a)original structure；(b)improved structureFig.4 Structure diagram of battery pack

圖5 優(yōu)化前后力-位移曲線Fig.5 Force-displacement curve before and after optimization

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)剛度明顯提升，支反力為25 kN時(shí)，球的位移為10.3 mm，小于安全距離20 mm。避免電池組因受到?jīng)_擊而起火的風(fēng)險(xiǎn)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，電池包底部剛度滿足使用要求。

3 結(jié)論

本文對(duì)電池包進(jìn)行了承載能力及球擊工況分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1)鋁合金電池包承載能力較強(qiáng)，滿足使用要求。

2)初版鋁合金電池包底部抵抗球擊能力不滿足要求。對(duì)電池包底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)剛度明顯提升，滿足剛度度要求。