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        純電動汽車電池包箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        2022-01-13 06:11:16毛虎平程必良
        關(guān)鍵詞:模組箱體云圖

        賈 峰, 毛虎平, 程必良

        (中北大學(xué) 能源動力工程學(xué)院, 山西 太原 030051)

        0 引 言

        新能源汽車主要有電動汽車(EV)、 混合動力汽車(HEV)和燃料電池汽車(FCV), 其中純電動汽車最有發(fā)展前景[1]. 動力電池包箱體承擔(dān)著電池模組和電子電器的安裝和保護(hù)的功能以及高壓點(diǎn)控制的功能, 是純電動汽車電池重要的保護(hù)外衣, 也是電動汽車安全性與可靠性的關(guān)鍵性因素[2]. 目前, 汽車行業(yè)使用的儲能鋰電池對正常工作環(huán)境要求較苛刻, 電池包箱體必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度, 具備抵抗殼體彎曲、 抗外力沖擊和抗異物擠壓的能力, 以及抗車身底盤傳遞的振動和足夠耐久可靠的性能[3]. 箱體具有足夠機(jī)械性能的同時, 還必須考慮其重量, 如果電池包箱體過重, 能攜帶模組電芯的數(shù)量將會減少, 從而使汽車?yán)m(xù)航里程數(shù)變小.

        不論是20世紀(jì)初電動汽車的沒落, 還是今日純電動汽車的緩慢發(fā)展, 主要還是受限于電池技術(shù)、 續(xù)航里程、 可靠性等因素[4]. 隨著電動汽車市場占有率的提高, 電動汽車自燃事件時有發(fā)生, 造成了人身財產(chǎn)的損失, 電動汽車電池包的安全性也成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn)之一. 因此, 對電池包箱體進(jìn)行合理的設(shè)計成為廣泛共識, 電池包設(shè)計過程中的有限元仿真分析方法[5]也已經(jīng)被大多數(shù)汽車企業(yè)廣泛使用. 目前, 許多長續(xù)航版的純電動新能源汽車整備質(zhì)量已達(dá)2 000 kg以上, 遠(yuǎn)超過許多傳統(tǒng)燃油車的重量, 而占重量很大部分的是電池包, 如某車型長續(xù)航款電池包重達(dá) 480 kg, 占整備質(zhì)量的30%以上. 因此, 輕量化設(shè)計對電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化來說就顯得非常重要, 可以在保證機(jī)械安全性能的前提下讓汽車攜帶更多的電芯. 輕量化方式主要包括: 結(jié)構(gòu)優(yōu)化、 輕量材料和先進(jìn)制造工藝的應(yīng)用[6]. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化還包括尺寸厚度參數(shù)優(yōu)化和針對外形的形貌優(yōu)化, 其中尺寸優(yōu)化是一種關(guān)于板殼等單元的參數(shù)優(yōu)化, 比如板厚、 梁截面的長、 寬和厚等數(shù)值參數(shù); 形貌優(yōu)化是改變薄壁件表面的形狀, 增加凸包狀加強(qiáng)筋, 從而增加零部件的局部剛度以提高其抗變形能力.

        目前, 針對電池包靜力學(xué)性能的研究主要是通過分析結(jié)構(gòu)的自由度或約束模態(tài)性能, 研究結(jié)構(gòu)在激勵下的振動特性并通過局部優(yōu)化來提高性能. 蘭鳳崇[7]等提出了基于電池包結(jié)構(gòu)多材料選型系統(tǒng)的優(yōu)化方法. 冷曉偉[5]對某型動力電池箱進(jìn)行了有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 采用基于靜態(tài)多工況和動態(tài)多階固有頻率的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化方法優(yōu)化了承載梁的布局. 目前, 動力電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化使用的方法主要有:替換輕質(zhì)材料從而提升箱體外包件的強(qiáng)度密度, 拓?fù)鋬?yōu)化或尺寸優(yōu)化以減少非關(guān)鍵位置的材料堆疊, 形貌優(yōu)化設(shè)計增強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)剛度. 例如, HART-MANN M等[8]通過形貌優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化提升了電池包的模態(tài)性能, 同時實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的.

        但是, 上述電池包箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究多為單一特性的優(yōu)化與驗(yàn)證, 而電池包作為一個集功能性與安全性為一體的復(fù)雜系統(tǒng), 針對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究還是比較少. 本文針對某型汽車電池包結(jié)構(gòu)與輕量化設(shè)計上的不足, 通過有限元仿真方法, 建立新電池包模型并驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)性能; 根據(jù)典型工況下靜力學(xué)性能的分析, 確定電池包箱體設(shè)計問題以及優(yōu)化方向; 基于OptiStruct求解器并采用變密度法進(jìn)行電池包底部承載梁拓?fù)鋬?yōu)化、 箱體上蓋形貌優(yōu)化、 薄壁件尺寸優(yōu)化, 并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果完成電池包箱體的幾何重構(gòu).

        1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論

        采用OptiStruct求解器[9]進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 主要運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化、 尺寸優(yōu)化及形貌優(yōu)化三種方式.

        優(yōu)化數(shù)學(xué)模型一般表示為

        結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的拓?fù)鋬?yōu)化主要是針對連續(xù)體結(jié)構(gòu), 使用OptiStruct求解器中的變密度法進(jìn)行優(yōu)化. 連續(xù)體為設(shè)計變量空間, 離散化的單元相對密度與設(shè)計空間的材料屬性之間的關(guān)系使用密度函數(shù)來表示.

        變密度法[10-11]的優(yōu)化模型表示為

        式中:xi為設(shè)計變量, 表示單元相對密度;n為設(shè)計變量個數(shù);C(x)為目標(biāo)函數(shù), 表示結(jié)構(gòu)的柔順度;K為結(jié)構(gòu)的全局剛度矩陣;U為結(jié)構(gòu)的總體位移向量;F為結(jié)構(gòu)所受載荷向量;ui為單元i的位移向量;k0為xi=1時的單元剛度陣;fi(xi)為懲罰函數(shù);V為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的體積;V*為單元i的體積;f為給定材料體積比;V0為初始結(jié)構(gòu)體積;V*為體積上限; 引入xmin是為了避免總剛度矩陣奇異, 通常取為0.001[11].

        基于OptiStruct求解器, 將位移、 應(yīng)力、 應(yīng)變、 頻率和質(zhì)量體積等性能參數(shù)作為約束條件和目標(biāo)函數(shù), 對電池包零部件進(jìn)行輕量化材料替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 在滿足制造工藝和機(jī)械安全性能的前提下, 盡量實(shí)現(xiàn)輕量化的效果.

        優(yōu)化方案如表 1 所示.

        表 1 動力電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

        2 電池包建模

        電池模組屬于實(shí)體單元, 應(yīng)用3D單元來繪制, 本文中采用六面體單元. 在繪制模組端板網(wǎng)格時應(yīng)注意與支架連接地方的網(wǎng)格劃分, 一般產(chǎn)生接觸的地方容易發(fā)生非線性變形, 對網(wǎng)格質(zhì)量要求比較高, 采用兩圈圍繞通孔的網(wǎng)格有利于應(yīng)力分散, 可以避免網(wǎng)格發(fā)生畸變導(dǎo)致報錯而停止計算.

        圖 1 為電池包部件網(wǎng)格剖視圖, 其中2D單元82 416個; 三角形單元254個, 占2D單元網(wǎng)格總數(shù)的0.31%, 主要集中在箱體拐角處; 3D單元526 256個; 總結(jié)點(diǎn)數(shù)666 188, 最小單元尺寸 4.91 mm, 最大單元尺寸 14.9 mm.

        圖 1 電池包部件網(wǎng)格剖視圖

        各零部件材料參數(shù)見表 2.

        表 2 各零部件材料基本屬性

        3 典型工況分析

        根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]和主機(jī)廠使用的工況載荷, 選取顛簸工況、 緊急制動和轉(zhuǎn)彎工況對電池包做靜態(tài)分析. 電池包坐標(biāo)系與汽車坐標(biāo)系方向相同, 汽車行駛方向?yàn)閤軸, 垂直于地面為z軸, 駕駛員側(cè)面為y軸. 各工況載荷參數(shù)如表 3 所示.

        表 3 典型工況參數(shù)

        1) 緊急制動工況

        圖 2 為緊急制動工況下的整體位移云圖, 電池包上蓋位移最大為 8.586 1 mm , 主要集中在上蓋的前半部分, 這個區(qū)域比較平整而且很薄, 容易發(fā)生較大變形.

        圖 2 電池包整體位移云圖

        圖 3 為箱體及承載梁的應(yīng)力云圖, 從圖中可以看出, 應(yīng)力主要集中在承載梁上, 箱體受到的外力比較小, 而且局部放大圖顯示應(yīng)力大的地方主要分布在梁端面上. 雖然最大應(yīng)力只有 195 MPa, 遠(yuǎn)小于屈服極限 235 MPa, 但是應(yīng)力非常集中, 與其相連的箱體沒有起到分散應(yīng)力的作用, 這種設(shè)計存在安全隱患.

        圖 3 箱體及承載梁應(yīng)力云圖

        2) 顛簸路面與急轉(zhuǎn)彎耦合工況

        圖 4 是動力電池包模組及箱體節(jié)點(diǎn)的位移分布云圖顯示, 2/3的電池模組節(jié)點(diǎn)位移大于 2 mm. 由于模組是固定在模組支架上的, 所以將模組之間單獨(dú)進(jìn)行后處理, 模組支架單元平均應(yīng)力云圖如圖 5 所示. 由圖 5 可以看出, 最大應(yīng)力只有 39.65 MPa, 這個應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DC01材料強(qiáng)度極限(270 MPa), 還有很大的優(yōu)化空間.

        圖 4 動力電池包模組及箱體節(jié)點(diǎn)的位移分布云圖

        圖 5 電池模組支架單元平均應(yīng)力云圖

        4 電池包底部承載梁拓?fù)鋬?yōu)化

        拓?fù)鋬?yōu)化的承載梁是空心梁單元(3D), 需將設(shè)計空間還原出來, 如圖 6 所示. 圖中深色為初始設(shè)計的承載梁, 淺色部分為還原的拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計變量空間, 其輪廓由電池包箱體下蓋底板的大小確定, 邊緣延伸出來的區(qū)域?yàn)閽燧d固定的地方.

        圖 6 初始設(shè)計梁還原設(shè)計變量空間

        承載梁的作用是托住下蓋上的電池模組, 設(shè)計變量的區(qū)域受到的載荷主要是電池模組的質(zhì)量, 根據(jù)電池包參數(shù)可得: 大模組質(zhì)量為 40.912 kg, 小模組質(zhì)量為25.57 kg, 高壓控制及其他附屬部件約為35 kg[14]. 經(jīng)過多次拓?fù)溆嬎悖?得出最佳載荷加載方式為集中力. 電池包模組及其他部件的重心在底面的投影, 如圖 7(a) 所示; 在投影點(diǎn)周圍創(chuàng)建RBE3單元, 然后在RBE3重心添加體力集中載荷, 如圖 7(b) 所示.

        圖 7 拓?fù)鋬?yōu)化模型的邊界條件轉(zhuǎn)換

        拓?fù)鋬?yōu)化模型網(wǎng)格單元的大小為10, 故設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化最小為20; 設(shè)置對稱模型約束, 保證拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果關(guān)于xz平面對稱, 這有利于加工制造.

        約束響應(yīng)的建立: 分別建立質(zhì)量響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng), 其中應(yīng)力響應(yīng)作為約束條件, 約束其應(yīng)力小于200 MPa; 質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù), 求解質(zhì)量最小時的材料分布情況. 通過88次的迭代最終收斂, 目標(biāo)函數(shù)迭代曲線如圖 8 所示.

        圖 8 目標(biāo)函數(shù)迭代曲線

        通過HyperView處理變密度插值法的計算結(jié)果后可得其拓?fù)鋬?yōu)化后的云圖, 如圖 9 所示, 根據(jù)拓?fù)湓茍D繪制出軸線分布, 如圖 9 中黑線所示.

        圖 9 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及軸線重構(gòu)

        動力電池包承載梁的優(yōu)化除了改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 還可以采用強(qiáng)度更高的Q345結(jié)構(gòu)鋼[15]. 梁截面尺寸優(yōu)化時采用Q345材料屬性.

        5 電池包上蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化

        通過對電池包模態(tài)分析發(fā)現(xiàn), 電池包上蓋剛度不足, 且前三階模態(tài)固有頻率接近路面不平度激勵和車身激勵, 因此有必要對其形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn), 加強(qiáng)其模態(tài)剛度, 提高前三階固有頻率, 避開低頻共振[16]. 從前六階模態(tài)振型中可以總結(jié)出, 有五階共振區(qū)域都集中在箱體上蓋, 在這些頻率下上蓋參與激活的有效運(yùn)動質(zhì)量遠(yuǎn)高于其他零部件, 因此, 除了對上蓋進(jìn)行形貌結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化, 還可以使用輕量化材料, 如鋁合金板材.

        本文對箱體上蓋形貌優(yōu)化的方式是增加加強(qiáng)筋, 如圖 10 所示. 這種加強(qiáng)筋可以增加薄壁結(jié)構(gòu)件的局部剛度, 提高抗變形能力, 在振動過程中降低板件的振動幅度, 同時上蓋的凸包還可為高壓電路提供一些內(nèi)部走線空間.

        圖 10 電池包上蓋形貌改進(jìn)及優(yōu)化

        6 箱體及梁截面尺寸優(yōu)化

        尺寸優(yōu)化是對設(shè)計變量的設(shè)定, 本文總共有8個設(shè)計變量, 分別為梁的高、 寬, 梁的厚度T1, 箱體下蓋厚度T2, 模組支架厚度T3, 箱體上蓋T4; 其中梁分為寬梁和窄梁兩種, 其中較寬的排布在掛載位置, 較窄的置于中間位置(寬梁的寬為B, 高為A, 窄梁的寬為b, 高為a, 如圖 11 所示), 采用1D單元建模, 并賦予截面屬性.

        圖 11 梁截面尺寸設(shè)計變量指派

        查閱文獻(xiàn)BD-ZX-QB-JS001-2020可知, 大部分電池包箱體壁厚在1 mm~3 mm, 厚度范圍應(yīng)在同一數(shù)量級. 設(shè)計厚度變量初始值的同時還需設(shè)置迭代步的步長, 查閱GB/T 15574-1995鋼材標(biāo)準(zhǔn), 最小迭代步的步長選為 0.01, 最大迭代步長選為0.1. 設(shè)計變量初始值及上下限的設(shè)置如表 4 所示.

        表 4 尺寸優(yōu)化設(shè)計變量的參數(shù)設(shè)置

        迭代結(jié)果和最終厚度參數(shù)結(jié)果如表 5 所示.

        表 5 尺寸優(yōu)化結(jié)果

        約束函數(shù)為每個部件材料的屈服極限, 在優(yōu)化計算過程中應(yīng)力值不超過材料的極限強(qiáng)度. 各部件材料的極限強(qiáng)度為: 承載梁 345 MPa, 箱體下蓋 230 MPa, 模組支架 230 MPa, 箱體上蓋 160 MPa. 目標(biāo)函數(shù)的電池包箱體質(zhì)量, 電池包箱體優(yōu)化前質(zhì)量為156.27 kg, 經(jīng)過優(yōu)化迭代, 目標(biāo)函數(shù)(質(zhì)量)為114.57 kg(迭代過程如圖 12), 優(yōu)化后質(zhì)量減小了41.7 kg.

        圖 12 優(yōu)化迭代過程

        7 優(yōu)化結(jié)果分析

        由于優(yōu)化階段的承載梁通過1D單元建模, 因此, 與仿真結(jié)果比較前需將梁單元進(jìn)行幾何重構(gòu), 生成完整的3D實(shí)體梁, 如圖 13 所示.

        圖 13 承載梁幾何重構(gòu)

        將所有零部件裝配完成, 可以得到如圖 14 所示的電池包最終優(yōu)化模型.

        圖 14 最終優(yōu)化模型

        優(yōu)化前后的位移云圖如圖 15 所示. 優(yōu)化完成的電池包靜力分析結(jié)果表明, 在緊急制動情況下發(fā)生最大位移的值從 8.586 1 mm 減小至 3.568 4 mm , 而且相較于初始設(shè)計較大區(qū)域的位移都有明顯減小且分散至xz兩側(cè); 同時, 上蓋加強(qiáng)筋凸包增加了電池包內(nèi)部的走線空間.

        圖 15 優(yōu)化前后位移云圖

        優(yōu)化前后的應(yīng)力分布云圖如圖 16 所示, 圖 16(a) 和(c)為初始電池包模型應(yīng)力云圖, 圖 16(b) 和(d)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的云圖結(jié)果. 初始模型最大應(yīng)力部件是承載梁, 材料為Q235, 初始分析時極限工況下最大應(yīng)力為195.28 MPa, 使用強(qiáng)度更高的Q345后其最大應(yīng)力219.46 MPa, 遠(yuǎn)小于極限應(yīng)力; 優(yōu)化前后最大應(yīng)力與極限應(yīng)力差從 39.72 MPa 增加到 125.54 MPa, 有足夠的安全余量. 從圖中可以看出優(yōu)化后應(yīng)力分布更加分散, 避免了初始階段承載梁掛載點(diǎn)出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象, 可見優(yōu)化效果顯著.

        圖 16 優(yōu)化前后應(yīng)力分布云圖

        優(yōu)化后前六階頻率和振型如圖 17 所示. 優(yōu)化后電池包的模態(tài)分析表明, 第一階固有頻率從24.04 Hz 提升至40.71 Hz, 已完全避開 22 Hz~28 Hz頻率段的路面激勵和35 Hz頻率的車身疊加激勵, 且第二階固有頻率為45.43 Hz, 也避開了激勵頻率, 可見結(jié)構(gòu)拓?fù)洹?厚度尺寸及形貌改進(jìn)的優(yōu)化對提高電池包箱體的動態(tài)特性具有顯著效果[17-18].

        圖 17 優(yōu)化后前六階頻率變化及模態(tài)振型云圖

        8 結(jié) 論

        本文利用三維建模軟件對Pack電池包進(jìn)行了建模. 根據(jù)新能源純電動汽車對動力電池包箱體剛度、 強(qiáng)度、 振動等性能的要求, 選擇汽車緊急制動、 轉(zhuǎn)彎、 顛簸路面等典型工況, 模擬了電池包靜態(tài)性能, 通過應(yīng)力和位移等結(jié)果進(jìn)行評估. 根據(jù)電池包仿真的機(jī)械性能評估, 利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對電池包模型進(jìn)行了優(yōu)化, 主要得到以下結(jié)果:

        1) 對承載梁進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化, 尋找最佳承載梁的分布形式, 使其布置更加合理, 減少了應(yīng)力集中, 并采用強(qiáng)度更高的材料, 在滿足機(jī)械性能的同時達(dá)到了輕量化的目的.

        2) 對于上蓋這種薄壁覆蓋件, 采用密度更低、 強(qiáng)度更高的鋁合金板材, 并通過加強(qiáng)筋凸包的形式對其形貌進(jìn)行改進(jìn), 避免出現(xiàn)低頻共振.

        3) 對于箱體和模組支架的厚度、 承載梁的截面等參數(shù)進(jìn)行了尺寸優(yōu)化, 計算了最優(yōu)厚度, 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果表明, 電池包機(jī)械結(jié)構(gòu)性能有明顯的提升, 電池包質(zhì)量減小了41.7 kg, 第一階固有頻率提升至40.71 Hz.

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