純電動汽車動力電池包結(jié)構(gòu)靜力分析及優(yōu)化設(shè)計(共13頁)

1、純電動汽車動力電池包結(jié)構(gòu)(jigu)靜力分析及優(yōu)化設(shè)計摘要(zhiyo)： 動力電池包作為(zuwi)純電動汽車的唯一動力源，承受著電池組等模塊的質(zhì)量，因此其強度、剛度必須滿足使用要求才可以保證行駛的安全性。在建立其有限元模型的基礎(chǔ)上，分析了電池包結(jié)構(gòu)在彎曲工況、緊急制動工況、高速轉(zhuǎn)彎工況、垂直極限工況以及扭轉(zhuǎn)工況下的強度、剛度。分析結(jié)果顯示，在垂直極限工況下，電池包底板的受力情況最為惡劣，因此對原有模型做出了改進，改變底板加強筋的布置形式。經(jīng)過相同工況的模擬，發(fā)現(xiàn)在力學(xué)性能提升的基礎(chǔ)上，整體質(zhì)量得以減輕，實現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)。關(guān)鍵詞： 動力電池包 有限元法 靜力分析 優(yōu)化設(shè)計 Abstract

2、： As the only power source of pure electrical vehicle，the power battery pack bears the weight of several models such as the battery model. To ensure the safety,the packs strength and stiffness must meet the fundamental requirements. This paper mainly analyzed the strength and stiffness under differe

3、nt working conditons on the base of a finite element model. The rsult shows that and the corresponding stress and deformation graphs are obtained.The structure of the battery pack is improved after analyzing the causes of the stress concentration.Also, the performance of the new model is compared wi

4、th the original one.The results show that the weight of the structure is reduced while the performance of the structure is improved, and the lightweight of the vehicle is realized.Keywords: power battery pack finite element method static structural analysis optimal design 引言(ynyn) 小型純電動汽車作為(zuwi)我國新

5、能源汽車產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略車型之一，得到了人們越來越多的關(guān)注。動力電池包作為純電動汽車的唯一動力源，起著保證電池組正常(zhngchng)、安全工作的關(guān)鍵作用。本文對國內(nèi)某一微型純電動汽車的電池包的結(jié)構(gòu)進行靜力分析，計算出不同行駛工況中結(jié)構(gòu)受到外部載荷時的應(yīng)力與應(yīng)變情況，并對結(jié)構(gòu)的強度、剛度進行校核，發(fā)現(xiàn)原有結(jié)構(gòu)中存在不足的地方，對其進行了相應(yīng)地優(yōu)化設(shè)計，使得電池包結(jié)構(gòu)在使用性能提高的同時，自身的重量降低。1.電池包結(jié)構(gòu)分析1.1電池包結(jié)構(gòu)有限元模型本文所研究的電池包是一種箱體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由高強度鋼板焊接而成。因此采用板殼單元模擬電池包結(jié)構(gòu)。為了減少模型前處理工作量，并不影響總體計算精度的前提

6、下，在建立電池包有限元模型時，做出了以下的簡化工作：如忽略一些尺寸較小的倒角、圓角、工藝孔等結(jié)構(gòu)。 1.2邊界條件約束邊界條件約束是結(jié)構(gòu)有限元分析中的一個重要部分。約束的正確性決定著計算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于電池包通過7個螺栓與車身連接，因此對連接的部分施加固定約束。1.3材料屬性電池箱底板需承受較大的載荷，因此選用DC01型號的高強度冷軋鋼板。材料參數(shù)見表1。表1. 材料參數(shù) 材料屈服強度(MPa)抗拉強度（MPa）密度(g/cm3)泊松比彈性模量DC012102707.850.302.07e51.4計算工況 由于此款電池包應(yīng)用于微型純電動汽車，其主要在城市路面上行駛，因此對其在行駛過程中可

7、能遇到的五種工況進行分析。即彎曲、制動、轉(zhuǎn)彎、垂直極限和扭轉(zhuǎn)五種工況。1.4.1彎曲(wnq)工況分析(fnx) 電池(dinch)包滿載靜止工況主要是用來模擬電動汽車靜止或者在路況較好的路面上行駛時的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布及變形情況。在這種工況下，電池包主要受到的載荷是包括電池包中的電池模塊、控制模塊以及連接部件等質(zhì)量在重力加速度作用下所產(chǎn)生的重力。 1.對結(jié)構(gòu)施加的載荷由于電池包結(jié)構(gòu)通過七個螺栓與車身相連接，所以電池包結(jié)構(gòu)只需要承載電池包自身的重力即可而無需考慮到整車上的乘員以及貨物的質(zhì)量。該電池包的整備質(zhì)量為140kg，取重力加速度g=9.8N/m2。因此要對結(jié)構(gòu)施加的載荷為F=mg=140*9.

8、8=1372N。在有限元模型中，將載荷施加在結(jié)構(gòu)的重心上。 2.分析結(jié)果經(jīng)過ANSYS軟件分析計算之后，得到了電池包結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變云圖，如圖1.1。 圖1.1電池包滿載彎曲工況應(yīng)力云圖 從圖中的數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)中應(yīng)力最大處的應(yīng)力為85.775MPa,出現(xiàn)在吊耳和底部支撐加強筋的邊緣，這主要是因為電池包尺寸較大，加強筋的跨度比較大加之處在電池包的兩端，因此應(yīng)力會比較集中。但是最大應(yīng)力85.775MPa仍遠小于材料的屈服極限, 因此結(jié)構(gòu)是安全的。 圖1.2電池包滿載(mnzi)彎曲工況應(yīng)變云圖從應(yīng)變云圖中，可以看出最大變形量為0.78823mm,出現(xiàn)在承重底板的中心處。這樣的變形量雖然不是很大

9、，不影響(yngxing)結(jié)構(gòu)的使用功能，但是還有較大的優(yōu)化空間。1.4.2制動(zh dn)工況分析 電池包高速制動工況將模擬車輛在行駛過程中緊急制動時的載荷情況。車輛在制動時，電池包除了承受自身的重力外，還將受到縱向制動加速度引起的慣性力作用。而慣性力的大小則主要取決于制動加速度的大小以及電池包的重量這兩個參數(shù)。 1.對結(jié)構(gòu)施加的載荷 車輛的最大制動加速度可近似由如下關(guān)系式求得，即a=v2/2s，v為車輛的行駛速度，s為將制動踏板處于最大行程所得制動距離。測得最大制動加速度為0.8g=7.84m/s2。對電池包的重心施加載荷，載荷分為兩部分，其一是電池包本身的重力F1=mg=140*9.8

10、=1372N，其二則是作用在電池包上的慣性力F2=ma=140*0.8*9.8=1097.6N。 2.分析結(jié)果 經(jīng)過分析，得到車輛在滿載時高速制動工況下應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖。圖1.3電池包滿載制動工況應(yīng)力(yngl)云圖圖1.4電池包滿載制動(zh dn)工況應(yīng)變云圖 從圖中可以看出電池包的最大應(yīng)變值為0.78897mm，最大變形的位置仍然在底板的中心位置，最大應(yīng)力值為84.165MPa,主要集中與底部支撐加強筋的邊緣與x方向的兩個吊耳上。為了得出吊耳具體的受力應(yīng)變應(yīng)力情況，我們將對吊耳進行局部的有限元分析，對其進行單獨的模型建立(jinl)，并且劃分網(wǎng)格，將吊耳所受到的載荷獨立地施加在吊耳上，

11、以此來分析吊耳的受力情況。對吊耳的上側(cè)方形凸臺面上受力的圓環(huán)面施加-Z方向，大小為F=20*9.8=196N的力，同時在受制動慣性力的圓柱面上施加-X方向，大小為156.8N的力。由于吊耳通過點焊方式與電池包主體結(jié)構(gòu)連接，所以對8個焊點連接處設(shè)置固定約束。圖1.5吊耳網(wǎng)格圖1.6制動工況下吊耳應(yīng)力(yngl)云圖 由應(yīng)力云圖可以看出，吊耳最大應(yīng)力為23.036MPa,應(yīng)力比較集中的地方在吊耳下方的焊點處和上方(shn fn)方形凸臺的外側(cè)邊緣，因為外緣的材料較少所以應(yīng)力會比較集中，但還是遠遠小于材料的屈服極限的，因此結(jié)構(gòu)是安全的。1.4.3轉(zhuǎn)彎(zhun wn)工況分析 車輛在高速轉(zhuǎn)彎時，車身

12、因離心力作用而產(chǎn)生側(cè)向載荷，由于動力電池包是與車身連接在一起的，所以在車輛高速轉(zhuǎn)彎時，電池包也將承受一定的側(cè)向載荷。離心加速度的大小由轉(zhuǎn)彎半徑與行駛車速的高低決定。在此工況下電池包需要承受的是自身的重力與離心力載荷。 1.對結(jié)構(gòu)施加的載荷對于高速轉(zhuǎn)彎工況，在電池包上附加0.5g的側(cè)向加速度來模擬轉(zhuǎn)彎工況下電池包結(jié)構(gòu)所受的載荷。所以要施加的載荷為兩部分，其一是電池包的自重F1=140*9.8=1372N，其二是指向一側(cè)的離心力，不妨取離心力方向是向左的，即F2=140*0.5*9.8=686N。 2.分析結(jié)果圖1.7轉(zhuǎn)彎(zhun wn)工況應(yīng)變云圖由上圖可以(ky)看出，應(yīng)變較大的地方在支承電

13、池組的地板中心處，應(yīng)變最大值為0.79192mm。因此在之后的結(jié)構(gòu)改進工作中要對此進行優(yōu)化。圖1.8 吊耳應(yīng)力(yngl)云圖由于離心力載荷施加的是向左，所以位于電池包左右兩側(cè)的吊耳所受的拉壓應(yīng)力會略偏大。但是其最大應(yīng)力值的為85.768Mpa,還是小于材料的屈服極限的。1.4.4垂直極限工況分析 垂直極限工況是指車輛行駛在凹凸不平路面上時，發(fā)生垂直方向的顛簸從而產(chǎn)生垂直方向的載荷，引起結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的工況1。 1.對結(jié)構(gòu)施加的載荷在此工況下會發(fā)生的極限情況，就是車輛垂直方向載荷的變化，根據(jù)相關(guān)文獻2，此工況下可以達到的最大垂向加速度為1g，再加上電池包本身的重力加速度，因此要施加的載荷力F=2

14、mg=2*140*9.8=2744N。 2.分析(fnx)結(jié)果圖1.9 垂直極限工況結(jié)構(gòu)(jigu)應(yīng)變云圖圖1.10垂直極限(jxin)工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖由上圖可以看出，在2g垂向載荷作用下電池包底部的變形是相當(dāng)明顯的，最大應(yīng)變值達到了1.5765mm，最大應(yīng)力值達到了171.55MPa。因此加強支承底板中心處的強度是非常必要的。4.3.5扭轉(zhuǎn)工況分析 當(dāng)電動汽車行駛在凹凸不平的路面上時，會發(fā)生某個車輪被抬高而另一個車輪懸空的情況。此時，由于車輛的左右兩側(cè)受力不對稱，電池包會產(chǎn)生就比較劇烈的扭轉(zhuǎn)，如果結(jié)構(gòu)不能保證足夠大的扭轉(zhuǎn)剛度，那么電池包結(jié)構(gòu)就會發(fā)生嚴(yán)重的變形，從而導(dǎo)致電池包內(nèi)部的電池受到擠

15、壓，最終會發(fā)生電池組錯位、電池溶液泄露、短路等危險現(xiàn)象3。 1.對結(jié)構(gòu)施加的約束與載荷 當(dāng)電池包的兩側(cè)受到不對稱的載荷時，就會由于有扭矩的作用而使得電池包產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，在此工況下，設(shè)置兩邊的受力差值為1500N，即在電池包的一側(cè)施加大小為1500N的力，另一側(cè)進行固定，對有兩個吊耳的一側(cè)施加固定約束，有三個吊耳的一側(cè)的限制X、Y方向的自由度，最后分析受力一側(cè)的撓度，從而可以求得電池包的扭轉(zhuǎn)剛度。 2.分析(fnx)結(jié)果圖1.11扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)變(yngbin)云圖圖1.12寬為93mm吊耳扭轉(zhuǎn)(nizhun)工況應(yīng)力云圖由圖中可以看出，扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)變出現(xiàn)在受力一側(cè)最大應(yīng)變值為0.36355m

16、m，在1500N的集中力作用下，這樣的變形量還不足以使得電池發(fā)生錯位，因此，電池包結(jié)構(gòu)具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度。而此時最大應(yīng)力值為190.95MPa，主要集中于電池包的寬為93mm的吊耳上。電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計2.1結(jié)構(gòu)存在問題綜述 綜合前述對電池包結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析，我們(w men)可以發(fā)現(xiàn)2個共性(gngxng)的問題。 1.在四種工況下，電池包底部支承板加強筋的邊緣應(yīng)力都比較(bjio)集中。 2.電池包底部支承板的中心變形較大。2.2改進方案 1.針對上述第一個問題，主要原因是電池包的橫向尺寸比較大，達到1000mm，因此底部支承板加強筋的跨度比較大，加之其中部所受載荷比較大，導(dǎo)致中部變形量也

17、較大，所以其邊緣處的受力情況比較復(fù)雜，因此應(yīng)力會比較集中。所以考慮將底部支承板加強筋改成與原來垂直的方向，并從原來的2條加強筋增加到3條。 2.針對第二個問題，主要是因為加強筋之間的間距較大，對底板中部的支撐作用較小，所以在上述基礎(chǔ)上，將一根加強筋的位置放在底板的中心部位，這樣就可以有效地增加對底板的支承，從而減小底板的變形量。 對電池包的結(jié)構(gòu)進行改造，其三維模型如下圖所示，中間的加強筋經(jīng)過電池包的中心點，兩側(cè)的加強筋距離中間的加強筋為218mm。 圖2.1改進前后電池包模型示意圖2.3優(yōu)化模型驗證將新模型導(dǎo)入ANSYS軟件，分別對其施加上文所述的5種不同工況下的載荷，分析其應(yīng)力與應(yīng)變情況。得

18、出改進前后結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、應(yīng)變值的變化情況，為了更加鮮明地進行對比，將結(jié)果制成如下條形圖。圖2.2改進前后電池包模型各工況下應(yīng)力情況(qngkung)對比條形圖圖2.3改進前后(qinhu)電池包模型各工況下應(yīng)變情況對比條形圖 由對比圖中可以清晰地看出，改進前后電池包結(jié)構(gòu)的性能發(fā)生了較大的變化，在各工況下，改進后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力(yngl)最大值均有較大幅度的減小，應(yīng)變值除了扭轉(zhuǎn)工況下有很小的增加，其他工況下的減小量均達到了58%左右，可見改善的效果是相當(dāng)明顯的。同時，值得注意的是，所使用加強筋的總長度由2000mm減少到1836mm，在截面形狀不變的情況下，材料的使用減少了164mm，減輕了整個電池包的重量，在性能提高的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了輕量化。3.結(jié)論(jiln) 本文在建立了某款純電動汽車動力電池包有限元模型的基礎(chǔ)上，對其在不同工況下進行了靜力學(xué)分析，得到了相應(yīng)地的應(yīng)力應(yīng)變情況。在總結(jié)(zngji)了不同工況下電池包存在的共同問題之后，提出了對原有模型的優(yōu)化設(shè)計方案，并在ANSYS中對新模型(mxng)施加五種相同工況下的相應(yīng)載荷進行優(yōu)化設(shè)計的驗證，發(fā)現(xiàn)改進后模型的最大應(yīng)力與應(yīng)變值都有所下降，其中最大應(yīng)力值降幅達到了58.57%，并且在保證使用性能的基礎(chǔ)上減少了材料的使用。因此，電池包結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是成功的。 參考文獻1王力. 汽車(qch