一种电动汽车电池箱的结构优化设计

杨国栋

摘要：随着科学技术的飞速发展，为纯电动汽车提供了良好的发展基础，使其可以积极响应低碳环保的经济发展需求。电

0  引言

动力电池箱作为电动汽车承载动力电池的装置，起到保护动力电池的作用，是电动汽车的重要组成部分。对纯电动汽车而言，动力电池为全车提供动力，其性能的好坏对整车性能有巨大的影响。当前车载电池主要存在能量密度偏低的问题，无法满足电动汽车的设计发展要求。因此，为提高电动汽车的续航里程，同时满足用户长距离驾驶的需求，电动汽车必须装备高容量的动力电池。这导致电池组质量较大，电池箱需要承受较大载荷，进而影响到驾驶安全性和可靠性。本文针对电动汽车的电池箱结构优化进行研究，希望同时提升电池组的容量与安全性能，对促进纯电动汽车的应用效果具有重要作用。

1  纯电动汽车电池箱设计要求

在针对电动汽车的电池箱结构进行优化设计时，需要同时满足各类设计要求，具体如下：

①机械强度要求，电池箱结构要与汽车台架吻合，不会在行驶过程中产生明显的振动与位移现象，尤其是在冲击试验中，对电池箱的结构稳定性也具备一定的要求，例如振动试验要满足在X轴、Y轴以及Z轴的振动频率范围是20Hz至50Hz之间，保证最大加速度为30m/s2，保证在多次试验后电池箱结构无明显变化情况;

②碰撞安全要求，电池箱在汽车行驶过程中会产生惯性位移情况，可以采用电池固定带对其进行固定，保证碰撞时电池不会甩出车外，并且在产生碰撞时还要维持电池组的正常运行状态，避免发生短路情况。此外对绝缘、散热、防水以及通风等方面都存在一定的要求;

③质量要求，电动汽车的电池箱为保证自身电容量，就必须放松对整体质量的控制，然而质量过高会产生剧烈的惯性位移，同时还会存在碰撞损坏等隐患。因此在对其进行设计时还要在保证电容量的同时尽量降低电池箱质量，例如减少电池组外壁厚度等。

2  纯电动汽车电池箱结构优化设计措施

2.1 整体结构设计

电池箱结构主要包括线缆组件、箱体、连接器、电池单体以及电池监测系统等，在针对其进行优化设计时要从多方面进行考虑，例如电池的通用性与互换性等，本研究将电池箱设计为无盖长方体形式，具体尺寸为长720mm，宽210mm，高260mm，沿着长方体方向在两端各放置两块电池单体，将监测系统与线缆等组件放到电池箱中间区域。

2.2 构建有限元模型

采用有限元模型对电池箱结构的变化情况进行分析，这样可以准确测定出电池箱组的应变、应力以及位移情况，再结合调试优化方案进行综合分析，可以为最优调试方案提供数据支撑。电池箱有限元分析的分析目标为急刹车、急转弯以及剧烈颠簸振动状态下电池箱的变化情况，并且可以分为静态分析与动态分析两种状态。首先在动态分析中需要开展相应的响应分析与固有特性分析，也就是电池箱的振动频率与振型，这样可以准确判定出电池箱的动态荷载情况，同时在模态分析模式，可以得到电池箱的固有频率，这也是判断电池箱是否产生共振的主要依据。因此在围绕动态分析结果开展优化设计时，需要电池箱满足一个或多个实验指标，并且在调试帮助下逐渐找到最佳状态。

2.3 电池箱结构静态模拟分析

在针对电池箱进行静态分析时，需要将其结构单元矩阵作为参考对象，也就是应变矩阵，通过对单元节点的位移变化情况进行分析，这样可以判定出电池箱结构材质与质量对其外部应力与位移造成的影响。针对应力应变与位移之间的关系进行分析，将二维单元的应力矩阵与节点位移效果相結合，采用直接法或迭代法对平衡方程进行计算。

为进一步验证电池箱的静态分析结果，还要对结构材质与热传导系数进行确认，首先时电池箱的结构材质，现阶段电动汽车的电池箱材质主要分为铝合金、高强钢以及普通钢板等，上述材料都有各自的优势与应用特点，其中铝合金由于密度较低，因此整体质量较低，如果合理控制其碰撞与振动反应下的变化情况，能够有效减轻电池箱的整体质量。其次是热传导系数，散热性能作为电池组的重要作业指标，采用铝合金材质具有良好的导热与散热能力，而且还具备机械加工优势，具备良好的耐腐蚀能力。因此本研究最终将铝合金选定为电动汽车电池箱的结构材质。此外结合实际生产要求，为保证电池箱结构的整体成本，首先将电池箱的部件厚度设定为4mm，并且在后续实验中进行调试，在实验中仅考虑车辆在此状况下的受荷载情况。

模态分析也分为低阶模态与高阶模态。其中低阶模态主要反映电池箱的刚度特征，通过模态结果确定车身与电池箱共振频率范围，从而进行控制避免共振。在电池箱动态分析时低阶模态对电池箱影响要高于高阶模态，用低阶模态反映固有振型和固有频率。

2.4 静动态结果分析

利用有限元软件针对电池箱进行动态与静态模拟分析，根据电池箱应力云图可以准确掌握电池箱结构在各种外力影响下的变化情况，当电池箱的质量为4.35kg时，届时电池箱的最大应力数值为126.0MPa，一阶模态数值为119.31Hz。此时最大应力反应主要集中在电池箱的前后另个侧面，其中一阶模态最大值主要产生于电池箱的底部。针对铝合金材料进行调试，将其屈服极限调整为295MPa，届时电池箱的最大应力数值为126.0MPa，这说明电池箱结构在多个方面都具备很大的优化提升空间。

3  纯电动汽车电池箱结构优化设计方案

在针对电动汽车的电池箱结构进行优化设计时，可以采用局部逼近的数字迭代方式进行计算，也就是将动态频率设定为优化目标，首先以减轻电池箱质量为目的，根据相关理论形式进行分析，当电池箱结构的应力值较低时，电池箱整体结构不会产生明显变化，然而在实际工作中需要考虑综合方面的影响因素，也就是将静态分析与动态分析相结合，避免电池箱组与车体产生共振反应，例如将其振动频率调整为与车身振频相差20Hz至50Hz之间即可。

之后要采用二分法进行逼近试验，保持其他条件不变，针对电池箱厚度进行调整，例如当电池箱的材料厚度为1.8mm时，届时的应力数值为157.8MPa，满足应力要求。随后将材料厚度调整为1.65mm，届时的应力数值为178.0MPa，也能够满足应力要求，并且不会发生极限变形现象，此时电池箱组的静态分析结果如图1所示。

结合图1能够得知，当电池箱结构进行优化后，其最大应力数值为178.0MPa，发生在电池箱中部通风散热孔附近;电池箱结构优化后的位移变化数值为5.774mm，发生在电池箱底部中央位置;电池箱结构优化后的模态数值为102.44Hz，电池箱前后两端的振动情况比较明显，届时能够保证电池箱组的整体质量为3.463Kg，相比优化之前减轻18.85%。

4  结语

综上所述，纯电动汽车作为今后汽车生产制造行业的必然发展趋势，需要不断对其设计理念与技术进行优化革新，尤其是电池箱组的设计，作为电动汽车的核心构成部分，要从多方面入手，针对电池箱组的综合应用性能进行调试，这样才能同时保证电池箱的应用价值与电动汽车的安全性。本研究针对纯电动汽车的电池箱结构优化进行研究，首先阐述电池箱的作用与设计要求，其次通过建立有限元模型从对电池箱结构进行仿真分析，并且从电池箱材料、厚度等方面进行实验，优化结果如下：当电池箱结构进行优化后，其最大应力数值为178.0MPa;电池箱结构优化后的位移变化数值为5.774mm;电池箱结构优化后的模态数值为102.44Hz，电池箱组的整体质量为3.463Kg，相比优化之前减轻18.85%。

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池箱作为电动汽车的核心组成部分，其整体结构与功能性会直接影响到电动汽车的驾驶效果。基于此，文章针对纯电动汽车的电池箱结构优化问题进行研究，首先阐述电池箱的作用与设计要求，其次通过建立有限元模型从对电池箱结构进行仿真分析，并且从电池箱材料、厚度等方面进行实验，旨在促进纯电动汽车电池箱的综合应用价值。希望对相关研究人员提供参考与借鉴。

Abstract： With the rapid development of science and technology， it provides a good foundation for the development of pure electric vehicles， so that it can actively respond to the economic development needs of low-carbon environmental protection. As the core component of electric vehicles， the battery box's overall structure and functionality will directly affect the driving effect of electric vehicles. Based on this， the article studies the optimization of the battery box structure of pure electric vehicles. First， the role and design requirements of the battery box are described. Secondly， the establishment of a finite element model is used to simulate and analyze the battery box structure， and from the battery box material and thickness. Conduct experiments in order to promote the comprehensive application value of pure electric vehicle battery boxes. Hope to provide reference and reference for relevant researchers.

關键词：电动汽车;电池箱;结构设计;优化

Key words： electric vehicle;battery box;structural design;optimization