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摘要：隨著用戶對(duì)純電汽車?yán)m(xù)航里程需求的提高，電池包承載的電芯質(zhì)量增加，需要通過減輕電池倉的質(zhì)量來降低電動(dòng)汽車的能耗。傳統(tǒng)的鋼制電池倉雖具有較大剛度，能保證電池模組的安全性，但因質(zhì)量過大，逐漸被車企淘汰。從材料和結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)電池倉進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)能有效解決電池倉的質(zhì)量問題。隨著一體式壓鑄工藝的提出，不少車企選擇采用壓鑄工藝生產(chǎn)電池倉，這種方法既能降低質(zhì)量，又能提供良好的韌性?；谟邢拊治鲕浖瑢?duì)某純電汽車的壓鑄拼焊電池倉進(jìn)行了模態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)、側(cè)向擠壓和隨機(jī)疲勞壽命分析，以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)安全性。在滿足各項(xiàng)安全試驗(yàn)要求的前提下，采用拓?fù)鋬?yōu)化法對(duì)電池倉進(jìn)行了輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的電池倉符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的安全試驗(yàn)要求，電池倉質(zhì)量減少了33.4 kg，輕量化率達(dá)到了8.48%。

 

關(guān)鍵詞：電池倉；模態(tài)分析；隨機(jī)振動(dòng)分析；擠壓分析；隨機(jī)疲勞壽命分析；拓?fù)鋬?yōu)化

 

0 引言

動(dòng)力電池包對(duì)汽車的續(xù)航里程和工況性能具有重要影響。隨著電動(dòng)汽車的不斷更新?lián)Q代，對(duì)動(dòng)力電池倉的質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格。多數(shù)車企選擇鋁合金材質(zhì)的電池倉替代傳統(tǒng)的鋼制電池倉，還有不少車企開始采用碳纖維復(fù)合材料制備電池倉，以降低電池倉質(zhì)量。此外，純電動(dòng)汽車的安全性與電池倉的力學(xué)性能有直接關(guān)系。電池倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性需要通過相關(guān)安全試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這既能保證電池倉結(jié)構(gòu)剛度，又能實(shí)現(xiàn)其輕量化。目前，針對(duì)電池倉結(jié)構(gòu)安全性響應(yīng)的研究主要包括模態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)、沖擊、跌落、擠壓、碰撞等工況分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉家員通過有限元分析軟件對(duì)電池包進(jìn)行全面的安全性分析，包括擠壓、振動(dòng)、跌落等工況，并對(duì)電池包進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和自由尺寸多目標(biāo)聯(lián)合仿真，以優(yōu)化材料和布局。王品健等人通過有限元軟件對(duì)鋁合金電池包進(jìn)行形貌、拓?fù)浜统叽鐑?yōu)化，使電池包整體質(zhì)量減輕6.2%。對(duì)優(yōu)化后的電池包進(jìn)行安全性能驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到安全性能標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文結(jié)合某款電動(dòng)汽車動(dòng)力電池倉的結(jié)構(gòu)特性及功能屬性，對(duì)電池倉進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性試驗(yàn)仿真分析，包括約束模態(tài)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、正向側(cè)向擠壓分析、隨機(jī)疲勞壽命分析，以檢驗(yàn)電池倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性。在滿足安全試驗(yàn)要求的前提下，對(duì)電池倉進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，以一階模態(tài)頻率最大化為優(yōu)化目標(biāo)，通過拓?fù)鋬?yōu)化方法求解電池倉的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)對(duì)優(yōu)化后電池倉進(jìn)行模態(tài)分析，以驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。

1　電池包有限元模型建立

1.1　電池包結(jié)構(gòu)及材料特征

電池包主要分為電池倉和電池模組兩部分，電池倉主要包括前側(cè)板、后側(cè)板、托盤及內(nèi)架四部分，通過拼焊工藝將四者連接固定。其中，電池倉前側(cè)板及后側(cè)板通過壓鑄工藝制造，其材質(zhì)為鑄造鋁硅合金AlSi10MnMg，相比于傳統(tǒng)的鋁合金具有質(zhì)量輕及高韌性的優(yōu)點(diǎn)。電池倉托盤體積較大，較難實(shí)現(xiàn)高壓壓鑄生產(chǎn)，因此選用傳統(tǒng)鋁合金制備。電池模組主要包括電芯、上下電芯固定架、電池模組外殼及其上蓋，電池模組總質(zhì)量為375 kg，電池倉質(zhì)量為394 kg，如圖1所示。

 

 

1.2　單元類型及單元尺寸

電池倉前后側(cè)板由于形狀復(fù)雜、壁厚不一，采用四面體實(shí)體劃分模型較為合適。因電池倉托盤、內(nèi)架與前后側(cè)板相連，所以同樣選擇四節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元?jiǎng)澐?，電池包各部件的網(wǎng)格劃分大小為10 mm。

在LS-DYNA 前處理中，對(duì)于實(shí)體單元，選擇全積分求解法；對(duì)于殼單元，選擇Belytschko-Tsay四點(diǎn)全積分殼單元求解法。

1.3　部件間連接、邊界約束及配重設(shè)置

電池倉前側(cè)板、托盤、內(nèi)架及后側(cè)板四部分通過拼焊連接固定，因此，采用rigid剛性單元進(jìn)行部件間連接，如圖2（a）所示。為模擬電池包與車架裝配的工況，先對(duì)電池包各螺栓孔建立RBE2單元，后對(duì)單元節(jié)點(diǎn)施加X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的SPC約束。為簡(jiǎn)化電池組的有限元模型，提高求解效率 ，本 文 建 立RBE3 單 元 并 在 幾 何 中 心 上 設(shè) 置CONM2質(zhì)量單元，施加各電池模組質(zhì)量載荷25 kg，模擬電池倉承載電池模組的功能工況，如圖2（b）所示。

 

 

1.4　材料屬性定義

本文的電池倉托盤、電池倉內(nèi)架、電池模組外殼及其上蓋材料均為Al-6061，電池倉前側(cè)板與后側(cè)板材料為鑄造鋁硅合金，電芯固定架為PA6材質(zhì)，擠壓板默認(rèn)為鋼材質(zhì)。根據(jù)LS-DYNA 相關(guān)的材料手冊(cè)，在模擬電池包擠壓試驗(yàn)仿真前，對(duì)電池倉及電池模組各部件單元模擬類型及材料參數(shù)如表1所示。

 

表1 各部件單元模擬類型及材料參數(shù)
Table 1 Element simulation type and material parameters of each component

 

 

為避免LS-DYNA 非線性分析中出現(xiàn)負(fù)體積求解錯(cuò)誤，需要在實(shí)體有限元模型表面增設(shè)一層薄殼單元，以提高表面應(yīng)力精度。因此，對(duì)電池倉前后側(cè)板、托盤、內(nèi)架、電芯固定架以及電芯外殼建立一層薄殼SectShll單元，材料模型賦予MATL9_NULL殼單元，在材料模型中賦予各部件對(duì)應(yīng)的密度、彈性模量以及泊松比三個(gè)參數(shù)，根據(jù)整機(jī)廠有限元分析前處理設(shè)置，殼單元厚度設(shè)置為0.1 mm，模擬部件之間的接觸，防止有限元模型在仿真過程中變形，出現(xiàn)穿破、斷裂等失效情況。

2　電池包結(jié)構(gòu)安全性分析

2.1　電池倉約束模態(tài)分析

電池包作為電動(dòng)汽車上大型系統(tǒng)，其機(jī)械振動(dòng)特性與整車性能密切相關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)電池包時(shí)，要盡可能提高其一階模態(tài)頻率，避免其與汽車行駛路面不平引起激振頻率重合，造成共振損傷。

在約束模態(tài)分析中，約束邊界設(shè)置與1.3節(jié)中的圖2一致，對(duì)各螺栓孔設(shè)置六個(gè)自由度的SPC約束以及在RBE3單元上施加單個(gè)電池模組的質(zhì)量。

在電動(dòng)汽車的行駛過程中，所受的激振主要源于兩個(gè)方面，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)以及路面不平引起的激振。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的激振頻率通常低于25 Hz。根據(jù)相關(guān)研究表明，當(dāng)汽車以不高于100 km/h的速度在國(guó)內(nèi)城市工況的平坦路面上行駛時(shí)，其激振頻率為27.78 Hz。兩個(gè)主要激振源產(chǎn)生的激振頻率均小于30 Hz，因此，選取一階模態(tài)頻率大于30 Hz作為電池包安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 為電池倉一階模態(tài)對(duì)應(yīng)的振型云圖。電池倉的一階固有頻率為77.8 Hz，滿足安全要求，存在安全余量，具有一定的輕量化設(shè)計(jì)空間。

 

 

2.2　電池箱隨機(jī)振動(dòng)仿真分析

根據(jù)GB/T 31467.3—2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第3 部分：安全性要求與測(cè)試方法》，電池系統(tǒng)要經(jīng)受X、Y、Z三軸向隨機(jī)振動(dòng)載荷21 h，在新國(guó)標(biāo)GB 38031—2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》中則要求三軸向隨機(jī)振動(dòng)載荷時(shí)長(zhǎng)為12 h，在相同的頻率情況下，相比新國(guó)標(biāo)，舊國(guó)標(biāo)的振動(dòng)能量更大，采用舊國(guó)標(biāo)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)動(dòng)力電池更加苛刻，因此本文采用舊國(guó)標(biāo)GB/T31467.3—2015評(píng)價(jià)電池倉隨機(jī)振動(dòng)的響應(yīng)特性。

將GB/T 31467.3—2015隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)載荷要求的PSD功率譜密度-頻率關(guān)系作為載荷輸入（見表2） ，對(duì)電池倉進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)分析。

 

表 2 各軸向功率譜密度-頻率關(guān)系
Table 2 The relation between power spectral density and frequency in each axial direction

 

 

為了模擬隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求，在電池倉前側(cè)板、托盤以及后側(cè)板螺栓孔處約束其六個(gè)自由度。采用RBE2 單元將各螺栓孔中心節(jié)點(diǎn)匯集到載荷節(jié)點(diǎn)。在載荷節(jié)點(diǎn)施加SPC約束以及SPCD加速度載荷。

圖4 為電池倉X、Y、Z 三軸向?qū)?yīng)的隨機(jī)振動(dòng)RMS應(yīng)力均方根值云圖。

 

 

由于工程中隨機(jī)振動(dòng)被視為是一種正態(tài)分布的振動(dòng)，需結(jié)合正態(tài)分布置信區(qū)間的概念評(píng)價(jià)電池箱在隨機(jī)振動(dòng)分析的性能。在該分布中，高σ激勵(lì)發(fā)生的概率很低，在實(shí)際計(jì)算中一般取3 σ為上限。

表3為電池倉各軸向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下的RMS應(yīng)力 以 及3 σ 等 效 應(yīng) 力 。電 池 倉 的 前 后 側(cè) 板 材 質(zhì)AlSi10MnMg 的屈服強(qiáng)度為140 MPa，托盤材料Al-6061 的屈服強(qiáng)度為240 MPa，三個(gè)方向上電池倉的隨機(jī)振動(dòng)3σ 等效應(yīng)力均沒有超過材料的屈服極限，因此滿足安全要求，且具有一定的輕量化設(shè)計(jì)空間。

 

表3 電池倉各軸向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力結(jié)果
Table 3 The results of random vibration stress in each axial direction of the battery pack box

 

 

2.3　電池包擠壓試驗(yàn)分析

 本文依據(jù)GB 38031—2020 的側(cè)面擠壓安全性分析，展開擠壓板對(duì)電池箱側(cè)向 （垂直于汽車行駛方向） 擠壓試驗(yàn)的安全性分析。該擠壓板由三個(gè)半徑為75 mm的半圓柱體組成，半圓柱體間距為30 mm。當(dāng)擠壓力達(dá)到100 kN或擠壓變形量達(dá)到擠壓方向整體尺寸的30%時(shí)停止擠壓。電芯的安全性也是擠壓試驗(yàn)中重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)電芯的安全評(píng)價(jià)要求為：變形量達(dá)到15%時(shí)，電芯不發(fā)生起火和爆炸。對(duì)于18650 電芯，若變形量達(dá)到2.7 mm 時(shí)無起火爆炸現(xiàn)象，則滿足安全性要求。

對(duì)電池倉進(jìn)行側(cè)面擠壓力仿真分析 （見圖5） ，以驗(yàn)證電池倉對(duì)電池模組的安全防護(hù)性能。在HyperMesh 中對(duì)有限元模型進(jìn)行前處理設(shè)置。接觸設(shè)置包括電池倉與剛性柱之間的*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接觸，電池模組內(nèi)部各部件之 間 的*CONTACT_SINGLE_SURFACE接觸。保留靠近擠壓板的三組電池模組，以分析電池模組受擠壓板側(cè)面擠壓后的變形量。計(jì)算時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為120 ms，從HyperMesh 導(dǎo)出k文件，后導(dǎo)入LS-DYNA進(jìn)行求解計(jì)算。

 

 

輸出RCFORC*擠壓力-時(shí)間關(guān)系曲線如圖6（a）所示，側(cè)面擠壓板擠壓力為100 kN時(shí)，計(jì)算時(shí)間達(dá)到0.612 ms。輸出5 ms 時(shí)，電池倉的側(cè)面擠壓變形云圖如圖6（b）所示，電池倉最大擠壓變形量為5.32 mm，電池倉擠壓方向上的尺寸為1 711.1 mm，擠壓變形量遠(yuǎn)小于擠壓方向上電池倉尺寸的30%，因此電池倉滿足擠壓試驗(yàn)安全要求。輸出電芯的側(cè)向擠壓變形云圖如圖6（c）所示，分析結(jié)果表明，電芯的最大擠壓變形量為0.249 mm，遠(yuǎn)小于18650 電芯的安全變形閾值 （2.7 mm） ，即電池倉在側(cè)向擠壓試驗(yàn)中能有效防護(hù)電池模組。

 

 

2.4　電池倉隨機(jī)疲勞壽命仿真分析

電動(dòng)汽車在行駛過程中受垂直方向上的顛簸較多，因此主要關(guān)注Z 向隨機(jī)疲勞壽命分析結(jié)果。在nCode DesignLife 疲勞分析軟件中，導(dǎo)入電池倉Z 向頻響分析結(jié)果，后輸入Z向隨機(jī)振動(dòng)PSD加速度功率譜密度。參考相關(guān)文獻(xiàn)的研究方法，根據(jù)GB/T31467.3—2015 振動(dòng)要求，Z 向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)21 h，關(guān)聯(lián)Z 向的振動(dòng)PSD 譜并定義循環(huán)次數(shù)為75 600 次 （表征振動(dòng)時(shí)間為21 h） 。依據(jù)Miner 的線性累積損傷理論結(jié)合材料的S-N曲線，采用Dirlik頻域分析法，以ABS Max Principal為應(yīng)力輸入，預(yù)測(cè)電池倉的疲勞失效出現(xiàn)位置。

圖7為電池倉隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命分析結(jié)果，表4為電池倉各部件隨機(jī)疲勞壽命最小值，結(jié)果表明，各部件疲勞壽命最小值遠(yuǎn)大于目標(biāo)疲勞壽命值1，滿足安全要求。

 

表4 電池倉各部件最小隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命值
Table 4 Minimum random vibration fatigue life of each component of the battery pack box

 

部件名稱	最小疲勞壽命值	目標(biāo)疲勞壽命值
前側(cè)板	6.62×10126.62×1012	1.0（表征完整的隨機(jī)振動(dòng)耐久周期）
后側(cè)板	4.29×10204.29×1020
托盤	5.16×1075.16×107
內(nèi)架	4.55×1084.55×108

3　電池倉拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

3.1　電池倉拓?fù)鋬?yōu)化分析

通過上述各項(xiàng)安全試驗(yàn)，表明電池倉滿足安全要求且能有效防護(hù)電池模組，即說明其具有一定的輕量化設(shè)計(jì)空間。因此，通過OptiStruct 求解器對(duì)電池倉進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為電池倉的一階模態(tài)最大化，在滿足該優(yōu)化目標(biāo)的前提下對(duì)電池倉進(jìn)行減重?？紤]到電池包前側(cè)板與后側(cè)板通過壓鑄工藝制備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均，設(shè)定其為非優(yōu)化區(qū)域。將電池包前后側(cè)板、內(nèi)架以及電池托盤之間存在的rigid 連接涉及的網(wǎng)格，電池倉上所有螺栓孔涉及的網(wǎng)格劃分為非優(yōu)化區(qū)域，避免影響電池倉各部件的連接固定以及電池倉在車架上的固定。電池倉內(nèi)架、托盤剩余部位則劃分為優(yōu)化區(qū)域，如圖8（a）所示，紅色部分為非優(yōu)化區(qū)域，紫色部分為優(yōu)化區(qū)域，黃色部分為電池倉上相關(guān)約束區(qū)域。

經(jīng)過35 次迭代后，圖8（b）為電池倉拓?fù)鋬?yōu)化密度圖，紅色部分為保留區(qū)域；優(yōu)化后一階模態(tài)頻率為52.66 Hz。為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，根據(jù)OptiStruct 求解得出的拓?fù)鋬?yōu)化密度圖對(duì)電池倉進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的電池倉質(zhì)量從394 kg降低至360.6 kg，輕量化率達(dá)到8.48%。

 

 

3.2　拓?fù)鋬?yōu)化可行性驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后的電池倉結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行模態(tài)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、側(cè)向擠壓分析以及隨機(jī)疲勞壽命分析。圖9（a）為優(yōu)化后一階模態(tài)振型圖，一階模態(tài)頻率為56.51 Hz，滿足模態(tài)安全要求。

表5為優(yōu)化前后電池倉各向隨機(jī)振動(dòng)RMS應(yīng)力值，均未達(dá)到電池倉材料強(qiáng)度極限。

 

表5 優(yōu)化前后電池倉各軸向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力結(jié)果
Table 5 The random vibration stress results of the battery pack box before and after optimization

 

圖9（b）（c）為拓?fù)浜箅姵貍}及電芯側(cè)向擠壓仿真結(jié)果，計(jì)算時(shí)間為0.64 ms 時(shí)，電池倉受到擠壓板的側(cè)向擠壓力達(dá)到100 kN。電池倉側(cè)向最大擠壓變形量為5.26 mm，擠壓變形量遠(yuǎn)小于擠壓方向上電池倉尺寸的30%；電芯最大擠壓變形量為0.24 mm，遠(yuǎn)小于18650電芯的安全變形閾值 （2.7 mm） 。

圖9（d）為拓?fù)浜箅姵貍}隨機(jī)疲勞壽命云圖，表6為優(yōu)化前后電池倉各部件隨機(jī)疲勞壽命結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明，優(yōu)化后電池倉隨機(jī)疲勞壽命的最小值主要集中在電池倉內(nèi)架部位，其最小值為3.31，大于目標(biāo)疲勞壽命值，滿足安全要求。

 

 

表6 優(yōu)化前后電池倉隨機(jī)疲勞壽命最小值結(jié)果
Table 6 The minimum random fatigue life of the battery pack box before and after optimization

4　結(jié)束語

本文結(jié)合某款純電汽車電池倉的制造材料、部件拼接工藝、與車身的裝配連接方式以及承載電池模組情況，結(jié)合電池包結(jié)構(gòu)安全試驗(yàn)國(guó)標(biāo)，通過有限元仿真分析，對(duì)電池倉進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全仿真。分析結(jié)果表明，該款電池倉力學(xué)性能均滿足安全要求，也表明其具有一定的輕量化設(shè)計(jì)空間。通過拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)電池倉進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化仿真結(jié)果調(diào)整電池倉相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征，優(yōu)化后電池倉的質(zhì)量降低了8.48%。對(duì)優(yōu)化后的電池倉進(jìn)行相應(yīng)的安全試驗(yàn)仿真，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。結(jié)果表明，拓?fù)浜蟮碾姵貍}滿足各項(xiàng)安全要求。