轻量化插电式电池盒设计

高飞

(福特汽车工程研究(南京)有限公司，江苏 南京211100)

随着汽车行业的发展，汽车数量越来越多，传统燃油汽车污染环境问题日益突出，近来中国政府大力倡导发展新能源汽车，插电式新能源汽车具有好的燃油经济性，因此插电式新能源汽车也是为了汽车行业发展的趋势之一。电池包作为插电式新能源核心的零部件，降低整车重量和提升电池包安全性是汽车厂研究的重要课题，电池包在汽车行驶的过程中会受到来自各个方向的应力，容易产生结构失效，因此电池盒设计要满足强度要求。本设计基于CAE 模拟仿真评估电池盒的强度是否满足要求，同时对电池盒按照国家法规要求进行安全性能测试，进一步评估电池盒设计的可行性。

1 设计要求

电池包要满足GB/T 31467.3-2015[1]振动，挤压，碰撞的要求。电池包无泄漏、着火、爆炸等现象。

2 电池盒设计

2.1 电池盒材料选择

通常电池盒设计采用钣金冲压焊接设计，并通过电泳或者喷塑方式进行表面处理，防止腐蚀，但是因钣金密度大约为7800kg/mm3,随着中国对能量密度的要求逐渐提过，钢材的电池盒能量密度逐渐满足不了电池包的需求。相比于钣金材料来说，铝合金材料具有耐腐蚀性能好、散热性强、质量轻等方面的优点。本设计电池盒采用低压铸造设计，材料选用A356，密度为2700kg/mm3,远低于钢材的密度，可以极大的提升电池包的能量密度，上盖采用6 系铝板才冲压成型，具有强度高，密度低的优势。全铝电池盒设计可以确保安全性能的同时，提升电池包的能量密度。

2.2 电池盒结构设计

铝合金电池盒如图1，电池盒箱体重29kg，外形尺寸约为961mm×886mm×150mm，平均壁厚5mm，电池盒侧壁设置4mm宽，3mm 高的加强筋用于强化电池包侧壁的刚性；上盖采用6系铝型材进行冲压，重量约为9kg；通过钣金支架固定在车身上，钣金支架重量为1.5kg。

图1 电池包

3 电池盒有限元仿真

3.1 电池盒有限元模型

通过Hypermesh 对电池包进行网格划分和处理，通过Abaqus 进行后处理和分析。

3.2 振动分析

在电池包支架打螺栓处，约束电池盒的自由度。工况设置为X 方向2.0g 加速度，Y 方向设置为2.0g 加速度，Z 方向设置为3.0g 加速度。把材料抗拉属性赋予电池包进行模拟仿真，如图2，电池包的应力应变云图，电池盒的最大的应力为18.8Mpa，应变为0.075mm，远小于材料的屈服强度170Mpa 和延伸率6%。因此通过CAE 分析可以确定电池盒在振动工况下是安全的，无破裂风险。

图2 电池包应力应变云图

3.3 挤压分析

电池包约束，在电池包左侧设置竖直坚硬墙，在右侧设置挤压棒。工况设置为挤压棒向左侧挤压电池盒，应力达到100KN，或者30%的变形量，停止挤压。把材料抗拉属性赋予电池包进行模拟仿真，如图3，电池包挤压图，电池盒左侧支架产生弯曲变形，电池盒为塑性变形，并无破裂现象，挤压棒不会侵入到电池包内部的模组盒电芯。因此通过CAE 分析可以确定电池盒在挤压工况下是安全的，无起火爆炸风险。

图3 电池包挤压CAE

4 安全性能测试

为了验证电池包设计的安全性，本设计通过GB/T31467.3-2015[1]《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3 部分：安全性要求与测试方法》的规定对电池包实物进行安全性能测试。电池包的安全性能测试包括振动、挤压、碰撞。电池包在振动时，会受到各方面的力，电动汽车发生碰撞时，电池包内部的电池会因受到强烈的冲击和挤压，因此电池包在碰撞时可能发生漏电、起火甚至爆炸的风险。所以国家标准要求GB/T31467.3-2015[1]电池包在测试期间以及测试后，不应发生起火、漏电、爆炸或电解液泄漏等现象。本设计的电池盒在振动、挤压、碰撞时，均未出现起火、爆炸、电解液泄漏等问题，安全性能指满足国家标准要求。因此实际的试验结果表明，本设计的电池包具有良好的安全性能。

图4 挤压和振动试验

5 结论

插电式电池盒设计，在满足安全性能的同时，采用轻量化设计，降低电池包的重量，提升了电池包的能量密度，同时通过CAE 仿真在设计阶段优先评估电池盒的安全性，可以节约项目开发的周期，在实际测试结果中，电池包通过了相关的法规测试，具有良好的安全性能。插电式电池盒作为新的技术领域，也是汽车电动化产业的一个重要发展方向。