譚麗輝 李春陽

摘? ?要：文章對電池包進行靜、動態(tài)有限元分析，得到箱體結構的薄弱位置，在上蓋表面設置凸包結構進行局部加強;并采用Optistruct軟件，運用形貌優(yōu)化技術，以動剛度和靜剛度為約束指標，獲得了矩形凸包和E型凸包的結構布局和幾何參數。經驗證，優(yōu)化后上蓋的剛度、強度均得到顯著提升，此研究為進一步分析實際電池包箱體結構奠定基礎。

關鍵詞：電池包箱體;上蓋;優(yōu)化設計

電池箱作為動力電池系統的唯一載體，在動力電池安全工作和防護方面起著關鍵作用，電池箱多為薄板件，常常面對顛簸、剎車和碰撞等復雜路況的考驗，如何使結構設計合理性得到進一步改善，是箱體結構設計的首要任務[1-4]。

本文基于ANSYS Workbench平臺，結合實際工況在上蓋表面設置凸包結構進行局部加強，采用Optistruct軟件，運用形貌優(yōu)化技術，優(yōu)化箱體上蓋的局部剛度，得到凸包結構的幾何參數和平面布局，并構建了優(yōu)化后箱體上蓋的三維模型。

1? ? 箱體有限元分析

1.1? 有限元模型構建

圖1為某款電池包結構示意，整個電池包呈較規(guī)則的長方體。為了正確模擬力的傳遞路徑，將復雜的電池模組簡化為較規(guī)則的方形體，同時將簡化的電池模組引入到電池包箱體，并將上蓋作透明處理，作為后續(xù)電池包箱體有限元分析模型。

電池包箱體分別通過兩側的3個掛點懸掛在汽車底盤上，故約束施加在箱體的兩側掛點上。本文采用實體單元對箱體進行有限元模型構建，只具備3個平動自由度，故對掛點表面上的節(jié)點也僅約束3個平動自由度。

為了考察電池包箱體結構是否能夠保護內部電池模組和電氣連接安全。本文選擇了不同典型工況對箱體做靜態(tài)有限元分析。表1顯示了典型靜態(tài)工況及加載方式。

1.2? 有限元分析結果

在ANSYS Workbench中利用靜力學模塊可求得上述3種典型工況下電池包的變形分布情況。發(fā)現在顛簸工況下箱體上蓋受力較大，變形量達到22.65 mm，下文的優(yōu)化設計，將以此作為極限工況進行對比分析，評價上蓋優(yōu)化效果。

模態(tài)分析發(fā)現共振區(qū)域均發(fā)生在箱體上蓋，上蓋均呈現不同形式的上下振動，發(fā)生彎曲變形，可見其動剛度不足，亟待加強。為避免共振情況發(fā)生，箱體上蓋一階頻率需高于路面的激勵頻率。表2顯示了3種常見路面對應的激勵頻率，可見，由路面不平度產生的激勵頻率最高為27.78 Hz，而箱體上蓋一階固有頻率僅為13.66 Hz，優(yōu)化后箱體上蓋的一階頻率只需高于27.78 Hz，即滿足設計要求。

2? ? 上蓋形貌優(yōu)化設計

2.1? 上蓋優(yōu)化設計

為改善箱體上蓋剛度嚴重不足的情況，通常在箱體上蓋采用鈑金沖壓方法加工出凸包結構。本文基于Optistruct軟件，采用形貌優(yōu)化技術得到凸包結構的幾何參數和平面布局，以優(yōu)化箱體上蓋的局部剛度。

將上蓋中心部分節(jié)點的靜態(tài)位移、上蓋的一階固有頻率和體積定義為優(yōu)化響應;將凸包的最小寬度設為40 mm，拔模角設為70°，最大沖壓高度設為10 mm;將上蓋中心部分節(jié)點位移上限定為11 mm，可保證在瞬時加速下上蓋不會與電池模組發(fā)生碰撞，一階固有頻率下限設為28 Hz。以總體積最小為目標，進行上蓋的優(yōu)化設計。

靜態(tài)位移和一階固有頻率經過25次優(yōu)化迭代計算后收斂，兩者均能達到設定的參數要求。最終優(yōu)化后的箱體上蓋的凸包結構基本呈對稱分布，即左右兩側的E型凸包和前后的矩形凸包。其中，E型凸包高度在5～6 mm范圍內，矩形凸包厚度基本達到的約束的最大值為10 mm。

2.2? 上蓋優(yōu)化效果分析

優(yōu)化后上蓋的固有頻率較原模型均有大幅提高，其一階固有頻率高于平坦路面激勵頻率，可避免共振情況發(fā)生，符合設計要求。由顛簸工況下優(yōu)化后上蓋的最大變形位于上蓋中心，變形量為5.66 mm，較優(yōu)化前降低了72%，剛度改善效果明顯，達到設計要求。最大等效應力落在E型凸包前后兩側角點，僅為101 MPa，明顯低于材料的屈服極限，強度提升顯著。

3? ? 結語

本文對電池包進行靜、動態(tài)有限元分析，得到箱體結構的薄弱位置，在上蓋表面設置凸包結構進行局部加強;并采用Optistruct軟件，運用形貌優(yōu)化技術，以動剛度和靜剛度為約束指標，獲得了矩形凸包和E型凸包的結構布局和幾何參數。經驗證，優(yōu)化后上蓋的剛度、強度均得到顯著提升。

[參考文獻]

[1]孫小卯.某型電動汽車電池包結構分析及改進設計[D].長沙：機械與運載工程學院，2013.

[2]馮富春，史曉妍，劉麗榮，等.基于AnsysWorkbench的動力電池箱體有限元分析[J].電源世界，2014（11）：33-35.

[3]郜效保.微型純電動汽車電池包結構設計與碰撞安全性研究[D].長沙：機械與運載工程學院，2016.

[4]李明秋.電池包箱體的有限元分析和結構優(yōu)化設計[D].長春：吉林大學，2017.