摘要：随着用户对纯电汽车续航里程需求的提高，电池包承载的电芯质量增加，需要通过减轻电池仓的质量来降低电动汽车的能耗。传统的钢制电池仓虽具有较大刚度，能保证电池模组的安全性，但因质量过大，逐渐被车企淘汰。从材料和结构两方面对电池仓进行轻量化设计能有效解决电池仓的质量问题。随着一体式压铸工艺的提出，不少车企选择采用压铸工艺生产电池仓，这种方法既能降低质量，又能提供良好的韧性。基于有限元分析软件，对某纯电汽车的压铸拼焊电池仓进行了模态、随机振动、侧向挤压和随机疲劳寿命分析，以验证其结构安全性。在满足各项安全试验要求的前提下，采用拓扑优化法对电池仓进行了轻量化优化设计。分析结果表明，优化后的电池仓符合国家标准的安全试验要求，电池仓质量减少了33.4 kg，轻量化率达到了8.48%。

 

关键词：电池仓；模态分析；随机振动分析；挤压分析；随机疲劳寿命分析；拓扑优化

 

0 引言

动力电池包对汽车的续航里程和工况性能具有重要影响。随着电动汽车的不断更新换代，对动力电池仓的质量要求越来越严格。多数车企选择铝合金材质的电池仓替代传统的钢制电池仓，还有不少车企开始采用碳纤维复合材料制备电池仓，以降低电池仓质量。此外，纯电动汽车的安全性与电池仓的力学性能有直接关系。电池仓结构设计的合理性需要通过相关安全试验标准进行评价，这既能保证电池仓结构刚度，又能实现其轻量化。目前，针对电池仓结构安全性响应的研究主要包括模态、随机振动响应、冲击、跌落、挤压、碰撞等工况分析，并根据分析结果进行结构优化设计。刘家员通过有限元分析软件对电池包进行全面的安全性分析，包括挤压、振动、跌落等工况，并对电池包进行拓扑优化和自由尺寸多目标联合仿真，以优化材料和布局。王品健等人通过有限元软件对铝合金电池包进行形貌、拓扑和尺寸优化，使电池包整体质量减轻6.2%。对优化后的电池包进行安全性能验证测试，测试结果达到安全性能标准要求。

本文结合某款电动汽车动力电池仓的结构特性及功能属性，对电池仓进行了结构安全性试验仿真分析，包括约束模态分析、随机振动分析、正向侧向挤压分析、随机疲劳寿命分析，以检验电池仓结构设计可靠性。在满足安全试验要求的前提下，对电池仓进行轻量化优化设计，以一阶模态频率最大化为优化目标，通过拓扑优化方法求解电池仓的最优化结构特征，同时对优化后电池仓进行模态分析，以验证优化方案的可行性。

1　电池包有限元模型建立

1.1　电池包结构及材料特征

电池包主要分为电池仓和电池模组两部分，电池仓主要包括前侧板、后侧板、托盘及内架四部分，通过拼焊工艺将四者连接固定。其中，电池仓前侧板及后侧板通过压铸工艺制造，其材质为铸造铝硅合金AlSi10MnMg，相比于传统的铝合金具有质量轻及高韧性的优点。电池仓托盘体积较大，较难实现高压压铸生产，因此选用传统铝合金制备。电池模组主要包括电芯、上下电芯固定架、电池模组外壳及其上盖，电池模组总质量为375 kg，电池仓质量为394 kg，如图1所示。

 

 

1.2　单元类型及单元尺寸

电池仓前后侧板由于形状复杂、壁厚不一，采用四面体实体划分模型较为合适。因电池仓托盘、内架与前后侧板相连，所以同样选择四节点四面体实体单元划分，电池包各部件的网格划分大小为10 mm。

在LS-DYNA 前处理中，对于实体单元，选择全积分求解法；对于壳单元，选择Belytschko-Tsay四点全积分壳单元求解法。

1.3　部件间连接、边界约束及配重设置

电池仓前侧板、托盘、内架及后侧板四部分通过拼焊连接固定，因此，采用rigid刚性单元进行部件间连接，如图2（a）所示。为模拟电池包与车架装配的工况，先对电池包各螺栓孔建立RBE2单元，后对单元节点施加X、Y、Z三个方向的平动自由度和转动自由度的SPC约束。为简化电池组的有限元模型，提高求解效率 ，本 文 建 立RBE3 单 元 并 在 几 何 中 心 上 设 置CONM2质量单元，施加各电池模组质量载荷25 kg，模拟电池仓承载电池模组的功能工况，如图2（b）所示。

 

 

1.4　材料属性定义

本文的电池仓托盘、电池仓内架、电池模组外壳及其上盖材料均为Al-6061，电池仓前侧板与后侧板材料为铸造铝硅合金，电芯固定架为PA6材质，挤压板默认为钢材质。根据LS-DYNA 相关的材料手册，在模拟电池包挤压试验仿真前，对电池仓及电池模组各部件单元模拟类型及材料参数如表1所示。

 

表1 各部件单元模拟类型及材料参数
Table 1 Element simulation type and material parameters of each component

 

 

为避免LS-DYNA 非线性分析中出现负体积求解错误，需要在实体有限元模型表面增设一层薄壳单元，以提高表面应力精度。因此，对电池仓前后侧板、托盘、内架、电芯固定架以及电芯外壳建立一层薄壳SectShll单元，材料模型赋予MATL9_NULL壳单元，在材料模型中赋予各部件对应的密度、弹性模量以及泊松比三个参数，根据整机厂有限元分析前处理设置，壳单元厚度设置为0.1 mm，模拟部件之间的接触，防止有限元模型在仿真过程中变形，出现穿破、断裂等失效情况。

2　电池包结构安全性分析

2.1　电池仓约束模态分析

电池包作为电动汽车上大型系统，其机械振动特性与整车性能密切相关。因此，在设计电池包时，要尽可能提高其一阶模态频率，避免其与汽车行驶路面不平引起激振频率重合，造成共振损伤。

在约束模态分析中，约束边界设置与1.3节中的图2一致，对各螺栓孔设置六个自由度的SPC约束以及在RBE3单元上施加单个电池模组的质量。

在电动汽车的行驶过程中，所受的激振主要源于两个方面，驱动电机的振动以及路面不平引起的激振。驱动电机的激振频率通常低于25 Hz。根据相关研究表明，当汽车以不高于100 km/h的速度在国内城市工况的平坦路面上行驶时，其激振频率为27.78 Hz。两个主要激振源产生的激振频率均小于30 Hz，因此，选取一阶模态频率大于30 Hz作为电池包安全标准。

图3 为电池仓一阶模态对应的振型云图。电池仓的一阶固有频率为77.8 Hz，满足安全要求，存在安全余量，具有一定的轻量化设计空间。

 

 

2.2　电池箱随机振动仿真分析

根据GB/T 31467.3—2015《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》，电池系统要经受X、Y、Z三轴向随机振动载荷21 h，在新国标GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中则要求三轴向随机振动载荷时长为12 h，在相同的频率情况下，相比新国标，旧国标的振动能量更大，采用旧国标进行随机振动试验对动力电池更加苛刻，因此本文采用旧国标GB/T31467.3—2015评价电池仓随机振动的响应特性。

将GB/T 31467.3—2015随机振动试验载荷要求的PSD功率谱密度-频率关系作为载荷输入（见表2） ，对电池仓进行X、Y、Z三个方向的随机振动分析。

 

表 2 各轴向功率谱密度-频率关系
Table 2 The relation between power spectral density and frequency in each axial direction

 

 

为了模拟随机振动试验要求，在电池仓前侧板、托盘以及后侧板螺栓孔处约束其六个自由度。采用RBE2 单元将各螺栓孔中心节点汇集到载荷节点。在载荷节点施加SPC约束以及SPCD加速度载荷。

图4 为电池仓X、Y、Z 三轴向对应的随机振动RMS应力均方根值云图。

 

 

由于工程中随机振动被视为是一种正态分布的振动，需结合正态分布置信区间的概念评价电池箱在随机振动分析的性能。在该分布中，高σ激励发生的概率很低，在实际计算中一般取3 σ为上限。

表3为电池仓各轴向随机振动激励下的RMS应力 以 及3 σ 等 效 应 力 。电 池 仓 的 前 后 侧 板 材 质AlSi10MnMg 的屈服强度为140 MPa，托盘材料Al-6061 的屈服强度为240 MPa，三个方向上电池仓的随机振动3σ 等效应力均没有超过材料的屈服极限，因此满足安全要求，且具有一定的轻量化设计空间。

 

表3 电池仓各轴向随机振动应力结果
Table 3 The results of random vibration stress in each axial direction of the battery pack box

 

 

2.3　电池包挤压试验分析

 本文依据GB 38031—2020 的侧面挤压安全性分析，展开挤压板对电池箱侧向 （垂直于汽车行驶方向） 挤压试验的安全性分析。该挤压板由三个半径为75 mm的半圆柱体组成，半圆柱体间距为30 mm。当挤压力达到100 kN或挤压变形量达到挤压方向整体尺寸的30%时停止挤压。电芯的安全性也是挤压试验中重要的评价指标。对电芯的安全评价要求为：变形量达到15%时，电芯不发生起火和爆炸。对于18650 电芯，若变形量达到2.7 mm 时无起火爆炸现象，则满足安全性要求。

对电池仓进行侧面挤压力仿真分析 （见图5） ，以验证电池仓对电池模组的安全防护性能。在HyperMesh 中对有限元模型进行前处理设置。接触设置包括电池仓与刚性柱之间的*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接触，电池模组内部各部件之 间 的*CONTACT_SINGLE_SURFACE接触。保留靠近挤压板的三组电池模组，以分析电池模组受挤压板侧面挤压后的变形量。计算时长设置为120 ms，从HyperMesh 导出k文件，后导入LS-DYNA进行求解计算。

 

 

输出RCFORC*挤压力-时间关系曲线如图6（a）所示，侧面挤压板挤压力为100 kN时，计算时间达到0.612 ms。输出5 ms 时，电池仓的侧面挤压变形云图如图6（b）所示，电池仓最大挤压变形量为5.32 mm，电池仓挤压方向上的尺寸为1 711.1 mm，挤压变形量远小于挤压方向上电池仓尺寸的30%，因此电池仓满足挤压试验安全要求。输出电芯的侧向挤压变形云图如图6（c）所示，分析结果表明，电芯的最大挤压变形量为0.249 mm，远小于18650 电芯的安全变形阈值 （2.7 mm） ，即电池仓在侧向挤压试验中能有效防护电池模组。

 

 

2.4　电池仓随机疲劳寿命仿真分析

电动汽车在行驶过程中受垂直方向上的颠簸较多，因此主要关注Z 向随机疲劳寿命分析结果。在nCode DesignLife 疲劳分析软件中，导入电池仓Z 向频响分析结果，后输入Z向随机振动PSD加速度功率谱密度。参考相关文献的研究方法，根据GB/T31467.3—2015 振动要求，Z 向振动试验时间持续21 h，关联Z 向的振动PSD 谱并定义循环次数为75 600 次 （表征振动时间为21 h） 。依据Miner 的线性累积损伤理论结合材料的S-N曲线，采用Dirlik频域分析法，以ABS Max Principal为应力输入，预测电池仓的疲劳失效出现位置。

图7为电池仓随机振动疲劳寿命分析结果，表4为电池仓各部件随机疲劳寿命最小值，结果表明，各部件疲劳寿命最小值远大于目标疲劳寿命值1，满足安全要求。

 

表4 电池仓各部件最小随机振动疲劳寿命值
Table 4 Minimum random vibration fatigue life of each component of the battery pack box

 

部件名称	最小疲劳寿命值	目标疲劳寿命值
前侧板	6.62×10126.62×1012	1.0（表征完整的随机振动耐久周期）
后侧板	4.29×10204.29×1020
托盘	5.16×1075.16×107
内架	4.55×1084.55×108

3　电池仓拓扑优化设计

3.1　电池仓拓扑优化分析

通过上述各项安全试验，表明电池仓满足安全要求且能有效防护电池模组，即说明其具有一定的轻量化设计空间。因此，通过OptiStruct 求解器对电池仓进行拓扑优化分析，优化目标设定为电池仓的一阶模态最大化，在满足该优化目标的前提下对电池仓进行减重。考虑到电池包前侧板与后侧板通过压铸工艺制备，其结构复杂、壁厚不均，设定其为非优化区域。将电池包前后侧板、内架以及电池托盘之间存在的rigid 连接涉及的网格，电池仓上所有螺栓孔涉及的网格划分为非优化区域，避免影响电池仓各部件的连接固定以及电池仓在车架上的固定。电池仓内架、托盘剩余部位则划分为优化区域，如图8（a）所示，红色部分为非优化区域，紫色部分为优化区域，黄色部分为电池仓上相关约束区域。

经过35 次迭代后，图8（b）为电池仓拓扑优化密度图，红色部分为保留区域；优化后一阶模态频率为52.66 Hz。为验证优化结果的可靠性，根据OptiStruct 求解得出的拓扑优化密度图对电池仓进行结构轻量化设计，优化后的电池仓质量从394 kg降低至360.6 kg，轻量化率达到8.48%。

 

 

3.2　拓扑优化可行性验证

对优化后的电池仓结构再次进行模态分析、随机振动分析、侧向挤压分析以及随机疲劳寿命分析。图9（a）为优化后一阶模态振型图，一阶模态频率为56.51 Hz，满足模态安全要求。

表5为优化前后电池仓各向随机振动RMS应力值，均未达到电池仓材料强度极限。

 

表5 优化前后电池仓各轴向随机振动应力结果
Table 5 The random vibration stress results of the battery pack box before and after optimization

 

图9（b）（c）为拓扑后电池仓及电芯侧向挤压仿真结果，计算时间为0.64 ms 时，电池仓受到挤压板的侧向挤压力达到100 kN。电池仓侧向最大挤压变形量为5.26 mm，挤压变形量远小于挤压方向上电池仓尺寸的30%；电芯最大挤压变形量为0.24 mm，远小于18650电芯的安全变形阈值 （2.7 mm） 。

图9（d）为拓扑后电池仓随机疲劳寿命云图，表6为优化前后电池仓各部件随机疲劳寿命结果对比，结果表明，优化后电池仓随机疲劳寿命的最小值主要集中在电池仓内架部位，其最小值为3.31，大于目标疲劳寿命值，满足安全要求。

 

 

表6 优化前后电池仓随机疲劳寿命最小值结果
Table 6 The minimum random fatigue life of the battery pack box before and after optimization

4　结束语

本文结合某款纯电汽车电池仓的制造材料、部件拼接工艺、与车身的装配连接方式以及承载电池模组情况，结合电池包结构安全试验国标，通过有限元仿真分析，对电池仓进行结构安全仿真。分析结果表明，该款电池仓力学性能均满足安全要求，也表明其具有一定的轻量化设计空间。通过拓扑优化方法对电池仓进行优化设计，根据优化仿真结果调整电池仓相应的结构特征，优化后电池仓的质量降低了8.48%。对优化后的电池仓进行相应的安全试验仿真，验证优化设计的可行性。结果表明，拓扑后的电池仓满足各项安全要求。

 

 

来源：Internet

关键词： 纯电汽车 电池仓