车载动力电池包有限元分析及结构优化

刘娜，高媛媛，崔长青，刘鹏，王成诺，刘永辉

1.山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101；2.运输车辆检测、诊断与维修技术交通行业重点实验室，山东 济南 250357；3.山东交通学院 汽车工程学院，山东 济南 250357

0 引言

近年来环境污染愈发剧烈，能源问题愈发严重，传统燃油汽车的发展逐渐受限[1]。为保证交通运输能力、改善环境能源，大力发展高效无污染、使用便捷的电动汽车成为有效措施之一。电池包作为电动汽车的唯一动力源，是电动汽车的核心[2]，在其整体的能量密度无法提升的前提下，大多电动车研发公司通过增加电池单体的数量来提高电动车的续航时间和性能[3]，但导致电池包质量增大，动力性不能大幅提高。为改善汽车动力性及安全性，整体结构的轻量化优化改进及新型材料的生产逐渐成为主要研究方向[4]。动力电池包作为电动汽车的核心部件之一，其质量占整车质量的20%～30%，优化车载动力电池包结构是实现电池包轻量化的重要途径之一[5]。

本文中在有限元分析的基础上对动力电池包结构进行轻量化优化改进，建立动力电池的有限元模型，保证电池包结构在不同工况下具有足够的强度和刚度，利用尺寸优化技术改进电池包结构，选取最优方案使其满足系统需求。

1 结构优化有限元模型

1.1 有限元模型建立

以某电动汽车动力电池包为例进行实物建模。本文中的电池包主要由上壳体、下壳体、电池管理系统、吊耳、电池模组、线束等部件组成，悬挂在底盘下方，总质量为236.16 kg，电池包结构如图1所示。本文中对动力电池包整体结构质量及固有频率影响较小的因素进行简化,建立相应的三维模型，电池包简化模型如图2所示。

图1 动力电池包结构 图2 电池包简化模型

网格划分参数设置如表1所示。壳体部分采取抽中面的方式划分壳单元网格，最终获得287 629个节点、95 034个单元，电池包简化后模型有限元网格划分结果如图3所示。根据动力电池包实物材料属性，下壳体与吊耳由DC01板液压成型，上壳体由复合材料(SMC)液压成型[6]。

表1 网格划分参数设置表

图3 电池包简化模型网格划分

1.2 有限元模型优化方案

主要针对降低质量对电池包进行结构优化[7-8]，通常将实体模型进行简化[9]。本文中利用有限元软件分析优化后的受力情况，判断是否符合强度、刚度要求。改变影响电池包质量和模态的主要参数如电池包外壳厚度、底壳结构以及四周吊耳上部厚度等，设计2种结构优化方案。

方案一为将电池包底壳减薄2 mm，并于底壳中部增加厚度为2 mm的纵、横2条加强筋，该方案模型与原模型相比质量减少8%，电池包简化模型如图4所示。方案二为将电池包底壳减薄1 mm，并在电池包底壳均匀对称布置30个矩形凹槽，该方案模型与原模型相比质量减少6%，电池包简化模型如图5所示。

图4 方案一电池包简化模型 图5 方案二电池包简化模型

优化模型与网格划分后，方案一的网格平均正交质量比为0.74，方案二的网格平均正交质量比为0.71，结构离散后的网格正交质量比直接影响求解时间及求解结果的正确性，网格正交质量比理想状态为1，通常要求平均网格正交质量比不低于0.7[10]，因此2个方案的网格正交质量比均满足要求，可保证求解结果的正确性。

2 约束模态分析

结合电池包的实际安装位置及方式，该电池包通过电池包壳体周围分布的8个吊耳悬挂于汽车底盘下方，采用Cylinder Support约束方式，约束位置如图6所示。

图6 约束位置

在完成上述设置后，在模态分析界面中利用Lanczos[11]模态叠加法提取电池包前3阶模态的振型及变形分布，不同方案下约束模态分析结果及振型描述如表2所示。

表2 不同方案下电池包前3阶频率及振型

根据常见的路面类型对电池包激励的波长，可知常见激励频率最大的路面为碎石路面，频率为69.44 Hz[12-13]。方案一的1阶模态频率为67.361 Hz，电池包结构在某些工况下使用时将受到限制；方案二的1阶模态频率为77.387 Hz，满足电池包结构使用需求。与原模型相比，方案二的1阶模态升高，方案一的1阶模态有所降低；方案二在汽车正常行驶过程中不会发生共振，即该电池包结构改进合理且具有足够刚度抵抗变形,因此，选择方案二的优化方式。

3 急转弯工况下的静力学分析

3.1 颠簸路面急转弯工况

汽车在复杂工况时不直接承受外力的刺激，而是承受由电池包内的结构件在汽车各种工况下产生的惯性作用力[14]。因颠簸路面对电池包影响较大[15]，因此本文中选择颠簸路面且急转弯时的组合工况对电池包进行静力学分析，保证优化方案的可靠性。

对电动汽车行驶工况下最大受力情况分别进行求解分析，工况计算加载方式如表3所示，表中g为自由落体加速度，g=9.8 m/s2。

表3 电池包计算加载情况g

3.2 原模型有限元计算结果

当电动汽车在颠簸路面以80 km/h的速度急转弯时，电池包整体存在横向加速度和垂向惯性加速度，仿真计算该工况下原电池包应力与位移分布如图7所示(图中应力单位为MPa，位移单位为mm)。

a)应力云图 b)位移云图 图7 原模型颠簸路面、急转弯工况时应力与位移云图

由图7可知：颠簸路面、急转弯工况时，原模型电池包的最大应力为192.74 MPa，位于电池包右前侧吊耳处，小于DC01材料屈服强度210 MPa；最大变形为0.399 mm，位于上壳体中心。

3.3 优化后模型有限元计算结果

与原模型处在同样工况下，计算得到的方案二电池包应力及位移云图如图8所示(图中应力单位为MPa，位移单位为mm)。

a)应力云图 b)位移云图图8 方案二颠簸路面、急转弯工况时应力与位移云图

由图8可知：颠簸路面、急转弯工况下，方案二电池包的最大应力为175.08 MPa，位于电池包左前侧吊耳处，小于DC01材料屈服强度210 MPa；变形最严重区域位于上壳体中心，为0.207 mm，该电池包结构优化后满足颠簸路面急转弯工况下的强度需求。

与原模型对比，方案二急转弯工况下的最大应力减少17.66 MPa，起步时电池包最大变形减少0.192 mm，可有效降低最大应力及电池包变形，有利于延长电池包的使用寿命。

4 结论

设计2种电池包轻量化方案，对电池包模型进行约束模态分析，对比前3阶频率及振型；对急转弯工况下原方案和方案二的电池包模型进行静力学分析，得到方案二与原模型的最大应力和变形位移分布。

1)基于有限元计算结果，原电池包质量为236.16 kg，与原模型相比，方案一电池包质量减少8%，方案二电池包质量减少6%。

2)基于2种结构优化的有限元模型进行了约束模态的仿真分析，提取前3阶模态频率及变形情况，方案一的1阶模态为67.361 Hz，该结构的电池包使用工况有局限性；方案二的1阶模态为77.387 Hz，该结构具有足够的刚度，满足要求。

3)方案二在颠簸路面、急转弯时最大应力为175.08 MPa，与原模型相比，减少了17.66 MPa；最大变形减少0.192 mm，1阶模态频率增加1 Hz，满足电池包结构使用需求。