純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)靜力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)靜力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要：動(dòng)力電池包作為純電動(dòng)汽車(chē)的唯一動(dòng)力源，承受著電池組等模塊的質(zhì)量，因此其強(qiáng)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(dòng)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(qiáng)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(duì)原有模型做出了改進(jìn)，改變底板加強(qiáng)筋的布置形式。經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池包有限元法靜力分析優(yōu)化設(shè)計(jì)Abstract：Astheonlypowersourceofpureelectricalvehicle，thepowerbatterypackbearstheweightofseveralmodelssuchasthebatterymodel.Toensurethesafety,thepack’sstrengthandstiffnessmustmeetthefundamentalrequirements.Thispapermainlyanalyzedthestrengthandstiffnessunderdifferentworkingconditonsonthebaseofafiniteelementmodel.Thersultshowsthatandthecorrespondingstressanddeformationgraphsareobtained.Thestructureofthebatterypackisimprovedafteranalyzingthecausesofthestressconcentration.Also,theperformanceofthenewmodeliscomparedwiththeoriginalone.Theresultsshowthattheweightofthestructureisreducedwhiletheperformanceofthestructureisimproved,andthelightweightofthevehicleisrealized.Keywords:powerbatterypackfiniteelementmethodstaticstructuralanalysisoptimaldesign引言小型純電動(dòng)汽車(chē)作為我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略車(chē)型之一，得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。動(dòng)力電池包作為純電動(dòng)汽車(chē)的唯一動(dòng)力源，起著保證電池組正常、安全工作的關(guān)鍵作用。本文對(duì)國(guó)內(nèi)某一微型純電動(dòng)汽車(chē)的電池包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，計(jì)算出不同行駛工況中結(jié)構(gòu)受到外部載荷時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變情況，并對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)原有結(jié)構(gòu)中存在不足的地方，對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)地優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得電池包結(jié)構(gòu)在使用性能提高的同時(shí)，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(qiáng)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(jì)算精度的前提下，在建立電池包有限元模型時(shí)，做出了以下的簡(jiǎn)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(gè)重要部分。約束的正確性決定著計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于電池包通過(guò)7個(gè)螺栓與車(chē)身連接，因此對(duì)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(hào)的高強(qiáng)度冷軋鋼板。材料參數(shù)見(jiàn)表1。表1.材料參數(shù)材料屈服強(qiáng)度(MPa)抗拉強(qiáng)度（MPa）密度(g/cm3)泊松比彈性模量DC012102707.850.302.07e51.4計(jì)算工況由于此款電池包應(yīng)用于微型純電動(dòng)汽車(chē)，其主要在城市路面上行駛，因此對(duì)其在行駛過(guò)程中可能遇到的五種工況進(jìn)行分析。即彎曲、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、垂直極限和扭轉(zhuǎn)五種工況。1.4.1彎曲工況分析電池包滿載靜止工況主要是用來(lái)模擬電動(dòng)汽車(chē)靜止或者在路況較好的路面上行駛時(shí)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單獨(dú)的模型建立，并且劃分網(wǎng)格，將吊耳所受到的載荷獨(dú)立地施加在吊耳上，以此來(lái)分析吊耳的受力情況。對(duì)吊耳的上側(cè)方形凸臺(tái)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(shí)在受制動(dòng)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(guò)點(diǎn)焊方式與電池包主體結(jié)構(gòu)連接，所以對(duì)8個(gè)焊點(diǎn)連接處設(shè)置固定約束。圖1.5吊耳網(wǎng)格圖1.6制動(dòng)工況下吊耳應(yīng)力云圖由應(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(diǎn)處和上方方形凸臺(tái)的外側(cè)邊緣，因?yàn)橥饩壍牟牧陷^少所以應(yīng)力會(huì)比較集中，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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)彎工況分析車(chē)輛在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)身因離心力作用而產(chǎn)生側(cè)向載荷，由于動(dòng)力電池包是與車(chē)身連接在一起的，所以在車(chē)輛高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，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(chē)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(duì)結(jié)構(gòu)施加的載荷對(duì)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(lái)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)彎工況應(yīng)變?cè)茍D由上圖可以看出，應(yīng)變較大的地方在支承電池組的地板中心處，應(yīng)變最大值為0.79192mm。因此在之后的結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作中要對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化。圖1.8吊耳應(yīng)力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(huì)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(chē)輛行駛在凹凸不平路面上時(shí)，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(duì)結(jié)構(gòu)施加的載荷在此工況下會(huì)發(fā)生的極限情況，就是車(chē)輛垂直方向載荷的變化，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2]，此工況下可以達(dá)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=2mg=2*140*9.8=2744N。2.分析結(jié)果圖1.9垂直極限工況結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D圖1.10垂直極限工況結(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(dá)到了1.5765mm，最大應(yīng)力值達(dá)到了171.55MPa。因此加強(qiáng)支承底板中心處的強(qiáng)度是非常必要的。4.3.5扭轉(zhuǎn)工況分析當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)行駛在凹凸不平的路面上時(shí)，會(huì)發(fā)生某個(gè)車(chē)輪被抬高而另一個(gè)車(chē)輪懸空的情況。此時(shí)，由于車(chē)輛的左右兩側(cè)受力不對(duì)稱(chēng)，電池包會(huì)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(huì)發(fā)生嚴(yán)重的變形，從而導(dǎo)致電池包內(nèi)部的電池受到擠壓，最終會(huì)發(fā)生電池組錯(cuò)位、電池溶液泄露、短路等危險(xiǎn)現(xiàn)象[3]。1.對(duì)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(duì)稱(chēng)的載荷時(shí)，就會(huì)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(jìn)行固定，對(duì)有兩個(gè)吊耳的一側(cè)施加固定約束，有三個(gè)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.分析結(jié)果圖1.11扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)變?cè)茍D圖1.12寬為93mm吊耳扭轉(zhuǎn)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0.36355mm，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(cuò)位，因此，電池包結(jié)構(gòu)具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度。而此時(shí)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(jì)綜合前述對(duì)電池包結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析，我們可以發(fā)現(xiàn)2個(gè)共性的問(wèn)題。1.在四種工況下，電池包底部支承板加強(qiáng)筋的邊緣應(yīng)力都比較集中。2.電池包底部支承板的中心變形較大。2.2改進(jìn)方案1.針對(duì)上述第一個(gè)問(wèn)題，主要原因是電池包的橫向尺寸比較大，達(dá)到1000mm，因此底部支承板加強(qiáng)筋的跨度比較大，加之其中部所受載荷比較大，導(dǎo)致中部變形量也較大，所以其邊緣處的受力情況比較復(fù)雜，因此應(yīng)力會(huì)比較集中。所以考慮將底部支承板加強(qiáng)筋改成與原來(lái)垂直的方向，并從原來(lái)的2條加強(qiáng)筋增加到3條。2.針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，主要是因?yàn)榧訌?qiáng)筋之間的間距較大，對(duì)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(qiáng)筋的位置放在底板的中心部位，這樣就可以有效地增加對(duì)底板的支承，從而減小底板的變形量。對(duì)電池包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，其三維模型如下圖所示，中間的加強(qiáng)筋經(jīng)過(guò)電池包的中心點(diǎn)，兩側(cè)的加強(qiáng)筋距離中間的加強(qiáng)筋為218mm。圖2.1改進(jìn)前后電池包模型示意圖2.3優(yōu)化模型驗(yàn)證將新模型導(dǎo)入ANSYS軟件，分別對(duì)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。得出改進(jìn)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(jìn)行對(duì)比，將結(jié)果制成如下條形圖。圖2.2改進(jìn)前后電池包模型各工況下應(yīng)力情況對(duì)比條形圖圖2.3改進(jìn)前后電池包模型各工況下應(yīng)變情況對(duì)比條形圖由對(duì)比圖中可以清晰地看出，改進(jìn)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(jìn)后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力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(dá)到了58%左右，可見(jiàn)改善的效果是相當(dāng)明顯的。同時(shí)，值得注意的是，所使用加強(qiáng)筋的總長(zhǎng)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(gè)電池包的重量，在性能提高的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了輕量化。本文在建立了某款純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池包有限元模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其在不同工況下進(jìn)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)了不同工況下電池包存在的共同問(wèn)題之后，提出了對(duì)原有模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并在ANSYS中對(duì)新模型施加五種相同工況下的相應(yīng)載荷進(jìn)行