李 全，王俊升，2，王 兵，劉鑫秀

（1.北京理工大學(xué)材料學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院，北京 100081）

隨著化石燃料的逐漸枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題的不斷加劇，純電動(dòng)汽車因其綠色環(huán)保的特性，受到各國(guó)的高度重視。近年來(lái)，我國(guó)也從政策和補(bǔ)貼方面大力推動(dòng)純電動(dòng)汽車的發(fā)展。電池包作為純電動(dòng)汽車的核心部件，其質(zhì)量（包括電池組）一般約占整車質(zhì)量的30%～40%。對(duì)純電動(dòng)汽車而言，整車質(zhì)量下降10%，可減少5.5%的電能損耗，同時(shí)增加5.5%的續(xù)駛里程。

電池包是由電池模組及其外殼組成，它的主要功能是固定、保護(hù)和承載電池模組，其殼體約占電池包總質(zhì)量的20%～30%。由于電芯能量密度的提升緩慢，所以減少電池包箱體質(zhì)量是提升續(xù)駛里程的重要方法之一。

汽車在實(shí)際行駛中，會(huì)經(jīng)受顛簸、急轉(zhuǎn)彎、緊急制動(dòng)、路面激勵(lì)等復(fù)雜工況的影響，以此受到的外部沖擊和振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電池包箱體變形過(guò)大和應(yīng)力集中，進(jìn)而擠壓電池模組引起內(nèi)部短路、起火和爆炸。因此，電池包結(jié)構(gòu)和性能的安全性對(duì)整車的安全性能有重要影響。在此基礎(chǔ)上的輕量化研究，對(duì)純電動(dòng)汽車未來(lái)的發(fā)展具有重要意義。此外，實(shí)現(xiàn)輕量化的電動(dòng)汽車，其續(xù)駛里程更長(zhǎng)，更受市場(chǎng)歡迎。因此，輕量化的電池包外殼必須具有較高的強(qiáng)度和抗振動(dòng)性。比較常用的輕量化方法有4 種：（1）使用輕質(zhì)高強(qiáng)材料；（2）優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)；（3）使用先進(jìn)的加工制造技術(shù)；（4）運(yùn)用有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)性能。其中，使用輕質(zhì)高強(qiáng)材料是最主要的方法。

目前，國(guó)外對(duì)電動(dòng)汽車電池包的研究主要集中在設(shè)計(jì)高效電池管理系統(tǒng)的電池建模方法上，以及集成新的加熱/冷卻系統(tǒng)的電池包的機(jī)械設(shè)計(jì)上。正如JAGUEMONT等、WANG Lu等文章中的觀點(diǎn)，研究者需要從機(jī)械角度專注于電池包的設(shè)計(jì)，包括電池包外殼、模組等組件。

從這個(gè)角度看，國(guó)外在這方面的研究相對(duì)較少，主要有，HARTMANN 等采用OptiStruct 軟件對(duì)AW-6082 T4 鋁合金電池包進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將電池包箱體的固有頻率由46.36 Hz 提升至99.95 Hz的同時(shí)，增加了電池包的剛度，減小了壁厚，相應(yīng)的質(zhì)量減少了近17%。H?HNE K 等改變了電池箱的布置方式，使電池塊的設(shè)計(jì)空間得到優(yōu)化，并滿足了箱體輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。KALEG對(duì)5052-0系鋁合金電池包外殼厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了殼體材料厚度為2 mm 時(shí)的最優(yōu)電池包質(zhì)量6.51 kg。ZHANG Yihui 等基于多目標(biāo)優(yōu)化和試驗(yàn)的綜合設(shè)計(jì)方法，比較了不同材料（DC01 鋼、鋁6061、銅C22000 和碳納米管CNT）的電池包在不同路況下的最大應(yīng)力和共振頻率，并采用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)電池包外殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的最大等效應(yīng)力由3.92 MPa降到3.23 MPa，六階共振頻率由722.65 Hz 提高到788.71 Hz。REDDY 等對(duì)電池包在3軸方向（、、）的振動(dòng)性能進(jìn)行了評(píng)估分析，得到不同載荷下單軸上的變形和應(yīng)力結(jié)果。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輕量化方面做了大量研究。華南理工大學(xué)陳元設(shè)計(jì)了一款輕量化電池包，分析了電池包在不同工況下的靜態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變分布，同時(shí)開展在低階模態(tài)約束下，電池包質(zhì)量與靜態(tài)載荷變形量的雙目標(biāo)優(yōu)化，在不降低性能的前提下實(shí)現(xiàn)電池包質(zhì)量減輕29.1%，一階模態(tài)頻率由23.60 Hz 提升至27.60 Hz。湖南大學(xué)王品健對(duì)某款純電動(dòng)汽車電池包進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)特性分析，得到電池包的一階模態(tài)頻率24.06 Hz，接近路面激振頻率，再采用材料替換、尺寸和拓?fù)鋬?yōu)化等方式對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后電池包的動(dòng)靜態(tài)性能得到明顯改善，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量減輕6.3%，頻率提高至49.37 Hz。侯文彬等以某款電動(dòng)汽車電池箱為優(yōu)化對(duì)象，通過(guò)有限元模擬分析了電池箱在不同工況下的強(qiáng)度和剛度，采用等代設(shè)計(jì)法進(jìn)行多工況的整體優(yōu)化，優(yōu)化后電池箱質(zhì)量下降29.9%，強(qiáng)度和剛度得到大幅提升。馬其華等基于碳纖維復(fù)合材料成型和力學(xué)替代性要求，設(shè)計(jì)了一體化車架-電池托盤結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同工況下的靜力學(xué)分析，又在此基礎(chǔ)上用OptiStruct軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋪層優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足各工況載荷要求，總質(zhì)量減輕30%。

湖南大學(xué)楊書建基于某企業(yè)的一款電池箱結(jié)構(gòu)，采用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)、模態(tài)和定頻振動(dòng)特性分析，發(fā)現(xiàn)了電池箱強(qiáng)度和剛度的薄弱位置，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和剛度提升的同時(shí)，箱體質(zhì)量減輕7.2%。東南大學(xué)劉元強(qiáng)基于目標(biāo)車型設(shè)計(jì)了一款動(dòng)力電池包，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)、自由模態(tài)、諧響應(yīng)以及定頻振動(dòng)分析，得到電池包的一階固有頻率（58.13 Hz）高于路面激勵(lì)頻率，最大應(yīng)力均小于結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度，滿足極限工況下的使用要求。李垚坤等以某電動(dòng)汽車電池包為研究對(duì)象，采用Abaqus 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顛簸緊急制動(dòng)工況下的靜力學(xué)特性以及隨機(jī)振動(dòng)分析，基于響應(yīng)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度提升的同時(shí)，電池箱質(zhì)量減輕48.7%。湖南大學(xué)楚博對(duì)國(guó)產(chǎn)某型號(hào)電動(dòng)汽車的一體式電池箱進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性分析，實(shí)現(xiàn)箱體質(zhì)量減輕10.2%，一階模態(tài)提升至41.10 Hz。

大連理工大學(xué)李畇以某典型電動(dòng)汽車電池包為例，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同工況下的靜力學(xué)特性、模態(tài)分析以及擠壓工況仿真，優(yōu)化后電池包滿足碰撞安全性的同時(shí)，質(zhì)量減輕14.38%，一階模態(tài)由12.67 Hz提升至30.22 Hz。青島大學(xué)袁林設(shè)計(jì)了一款用于純電動(dòng)低速中型車的動(dòng)力電池箱，對(duì)電池箱各部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電池箱質(zhì)量減輕21.65%，一階模態(tài)頻率提升至35.94 Hz。合肥工業(yè)大學(xué)程文文采用熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)鑄造鋁合金一體化電池包，分析了電池包動(dòng)靜態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，存在強(qiáng)度過(guò)剩。進(jìn)行多目標(biāo)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，電池包在滿足動(dòng)靜態(tài)特性以及疲勞壽命要求的前提下質(zhì)量減輕15.05%。安徽工業(yè)大學(xué)季業(yè)成對(duì)電池包進(jìn)行了不同工況下靜力學(xué)及模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)其一階模態(tài)僅為22 Hz，易引起共振，優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)一階固有頻率提升至28.60 Hz，最大變形減少至3.68 mm，在保證結(jié)構(gòu)安全前提下質(zhì)量減輕16%。董相龍等分析了顛簸急轉(zhuǎn)彎和緊急制動(dòng)工況下的電池箱強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)電池箱結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值超過(guò)許用應(yīng)力，對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)滿足強(qiáng)度和剛度要求，同時(shí)下箱體質(zhì)量減輕22.3%。

電池包輕量化是在保障其各項(xiàng)服役性能不降低的前提下，合理選用材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能使電池包質(zhì)量減輕的技術(shù)過(guò)程。通過(guò)總結(jié)不同品型電池包在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、箱體材料選用、靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性4個(gè)方面的性能參數(shù)，從材料的角度出發(fā)，比較了滿足4 個(gè)方面要求的輕量化電池包用材料的服役性能，評(píng)估了不同材料的輕量化效果，為選用合適的材料用于電池包的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分類

在電池箱質(zhì)量減輕的情況下，電動(dòng)汽車可多配備同等質(zhì)量的電池，相應(yīng)地增加續(xù)駛里程。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)同品型電池包的質(zhì)量、體積、質(zhì)量/體積、材料比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度值）4 個(gè)方面的性能參數(shù)，見表1，并繪制了不同品型電池包結(jié)構(gòu)性能比較的關(guān)系圖，如圖1所示。

表1 不同電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 不同品型電池包結(jié)構(gòu)性能比較

由圖1a 可知，鋼鐵材料電池包的質(zhì)量范圍為11.38～205.90 kg，對(duì)應(yīng)體積范圍為0.05～0.71 m；鋁合金電池包質(zhì)量范圍為3.45～75.90 kg，對(duì)應(yīng)體積范圍為0.04～0.56 m?？梢?，在同等質(zhì)量下，鋁合金電池包的體積更大，有利于空間內(nèi)電池模組的優(yōu)化排布；同等體積下，鋁合金電池包的質(zhì)量更輕，可以多配置同等質(zhì)量的電池，延長(zhǎng)續(xù)駛里程。由圖1b 可知，鋼鐵材料電池包的質(zhì)量/體積范圍為82.25～358.09 kg/m，高于鋁合金電池包的質(zhì)量/體積范圍79.12～207.95 kg/m。同等質(zhì)量下，鋁合金電池包的質(zhì)量/體積更小，意味著電池包的體積更大；同等質(zhì)量/體積下，鋁合金電池包的質(zhì)量更輕。由圖1c 可知，鋁合金電池包的比強(qiáng)度范圍為66.42～105.56 MPa/（g·cm），明顯高于鋼鐵材料的比強(qiáng)度范圍為18.47～43.95 MPa/（g·cm），是鋼鐵材料的3 倍左右，這也體現(xiàn)了鋁合金作為輕量化材料的優(yōu)勢(shì)。由圖1d 可知，鋁合金電池包的質(zhì)量/體積、比強(qiáng)度性能均顯著優(yōu)于鋼鐵材料，這也是鋁合金得以輕量化的本質(zhì)。

2 材料設(shè)計(jì)分類

目 前， 高 強(qiáng) 度 鋼、 鋁 合金、復(fù) 合 材 料在電池包箱體的輕量化中扮演重要角色。高強(qiáng)度鋼具有屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度高、抗變形、減震吸能強(qiáng)、焊接工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在自重過(guò)大、耐腐蝕性差等缺點(diǎn)。鋁合金是一種廣泛應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的輕質(zhì)材料，其密度只有鋼的1/3，相比于傳統(tǒng)鋼材具有質(zhì)量輕、可塑性好、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、導(dǎo)熱和散熱性好、易回收利用等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)熱系數(shù)，鋁為237 W/（m·K），鐵為80 W/（m·K）。電池箱盛裝電池在消耗過(guò)程中會(huì)散發(fā)大量熱量，選用鋁合金作為電池箱材料具有明顯優(yōu)勢(shì)。復(fù)合材料具有密度低、比模量高、抗腐蝕、耐磨損、成型性和沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，且質(zhì)量只有鋼的1/4，但也存在成本高、回收利用率低、散熱性差等缺點(diǎn)，在汽車中的應(yīng)用僅限于高性能車領(lǐng)域。目前，應(yīng)用鋁合金降低車身質(zhì)量已成為純電動(dòng)汽車發(fā)展趨勢(shì)。

本文總結(jié)不同品型電池包箱體用材料性能，見表2。基于數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同電池包用材料類別和性能存在一定差異，如圖2 所示。圖2a 表示電池包材料類別與文獻(xiàn)應(yīng)用量之間的關(guān)系。因此，目前將鋼鐵材料用作電池包箱體材料，占據(jù)較大比例。其中，DC01、Q235 兩種材料應(yīng)用最為廣泛，明顯出于成本考慮，這些材料在滿足大多數(shù)電池包一般性能需求的條件下，并不會(huì)因電動(dòng)化而改變汽車底盤傳統(tǒng)設(shè)計(jì)；其次是鋁合金電池包，應(yīng)用最多的3 種材料分別是Al6082-T6、Al6061-T6 和Al5052，均為5～6 系鋁合金，具有比強(qiáng)度、比剛度較高的優(yōu)勢(shì)，能夠在替代普通鋼力學(xué)性能的同時(shí)，沿用金屬材料的可加工性能。由圖可知，復(fù)合材料應(yīng)用較少，主要是因?yàn)槠洳牧铣杀靖摺⒉豢杉庸?、散熱性能差，且各向異性，以及碰撞后?nèi)部分層失效模式不可預(yù)測(cè)，限制了其作為力、熱載荷交互作用在殼體上的應(yīng)用。

表2 不同電池包用材料性能參數(shù)

圖2b 為不同類別材料與比強(qiáng)度的關(guān)系。由圖可知，電池包箱體用鋁合金材料的比強(qiáng)度均顯著高于箱體用鋼鐵材料。在鋁合金材料中，Al-S-6000的比強(qiáng)度最低，為52.22 MPa/（g·cm），與鋼鐵材料中比強(qiáng)度最高的B410LA 的數(shù)值60.51 MPa/（g·cm）接近，可見鋁合金材料的輕量化優(yōu)勢(shì)顯著。但是其應(yīng)用量卻沒(méi)有鋼鐵材料廣泛，一個(gè)重要的原因是成本效益，鋁合金的成本是鋼鐵材料的2 倍左右，對(duì)于追求長(zhǎng)續(xù)駛里程的電動(dòng)汽車，采用鋁合金電池包是使汽車輕量化以提升續(xù)駛里程的重要途徑，但無(wú)疑會(huì)造成整車成本的增加，所以對(duì)于中等續(xù)駛里程的汽車通常選用鋼鐵材料作為箱體材料。因此，開展高性能低成本鋁合金研制是未來(lái)發(fā)展方向。

圖2 不同電池包用材料的類別和性能比較

3 靜態(tài)載荷分布分析

對(duì)電池箱進(jìn)行靜力學(xué)分析是為了計(jì)算電池箱結(jié)構(gòu)的承載能力，在不同工況下所受應(yīng)力是否超過(guò)材料的屈服極限等。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎和顛簸工況對(duì)電池箱的沖擊作用較大，電動(dòng)汽車在緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎或經(jīng)過(guò)顛簸路面時(shí)，電池模組會(huì)因慣性對(duì)電池箱產(chǎn)生縱向、側(cè)向和地面沖擊載荷，其作用力遠(yuǎn)超正常工況，特別是沖擊載荷，遠(yuǎn)大于靜態(tài)載荷。因此，在顛簸路面上行駛屬于極限工況。本文總結(jié)了不同輕量化電池包在極限工況下的急轉(zhuǎn)彎和緊急制動(dòng)情況下的最大應(yīng)力、變形以及分布位置，如表3～4 所示，并繪制了兩種工況下最大應(yīng)力與安全系數(shù)、應(yīng)力集中位置及發(fā)生概率的關(guān)系，如圖3～4所示。

表3 顛簸急轉(zhuǎn)彎工況下輕量化電池包的受力和變形分布

3.1 顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況

該工況下，顛簸作用的最大應(yīng)力作用于電池箱底面，急轉(zhuǎn)彎作用的最大應(yīng)力作用于電池箱的大側(cè)面。圖3a為顛簸急轉(zhuǎn)彎工況下的最大應(yīng)力和安全系數(shù)的關(guān)系。由圖可知，鋁合金電池包的最大應(yīng)力主要集中在22.34～140.80 MPa 之間，小于鋼鐵材料的應(yīng)力范圍41.62～195.40 MPa；鋁合金電池包的安全系數(shù)范圍1.58～12.76，大于鋼鐵材料的安全系數(shù)范圍1.09～7.33。組合工況下的安全系數(shù)均＞1，表明箱體所受應(yīng)力均低于材料的屈服強(qiáng)度，電池箱箱體沒(méi)有發(fā)生屈服失效，強(qiáng)度和安全性良好。由此可知，在該工況下，鋁合金電池包的應(yīng)力集中小且安全系數(shù)高，即服役性能更好。因此，在滿足結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性的前提下，箱體選用鋁合金材料，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效減輕質(zhì)量和提升安全性能。

表4 顛簸緊急制動(dòng)工況下輕量化電池包的受力和變形分布

圖3b 為顛簸急轉(zhuǎn)彎工況下應(yīng)力集中位置與發(fā)生概率關(guān)系。由圖可知，應(yīng)力主要集中在下箱體。該工況下的最大應(yīng)力按概率易發(fā)生在下箱體吊耳、托架螺栓孔、下箱體底面和下箱體側(cè)圍。這是由于顛簸急轉(zhuǎn)彎時(shí)，箱體里面的電池由于慣性作用向急轉(zhuǎn)彎和顛簸最大加速度的合成方向運(yùn)動(dòng)，兩者加速度的合成方向指向電池包轉(zhuǎn)彎的大側(cè)面，所以電池箱底面偏向大側(cè)面受到的力比較大，對(duì)應(yīng)靠近大側(cè)面的托架、吊耳受到的力也比較大。由于吊耳與托架起約束電池包位移的作用，此處的螺栓孔應(yīng)力集中比較明顯。電池箱直接承載電池的重量，箱體與電池模組支架之間屬于線接觸，所以在箱體底面存在應(yīng)力集中。

圖3 顛簸急轉(zhuǎn)彎工況靜力學(xué)分析

3.2 顛簸緊急制動(dòng)工況

顛簸緊急制動(dòng)工況下的靜力學(xué)分析，如圖4 所示，在該工況下，顛簸時(shí)的最大應(yīng)力作用于電池箱底面，緊急制動(dòng)時(shí)的最大應(yīng)力作用于電池箱的小側(cè)面。 圖4a 為顛簸緊急制動(dòng)工況下最大應(yīng)力與安全系數(shù)的關(guān)系。由圖可知，鋁合金電池包的最大應(yīng)力范圍為22.1～142.6 MPa，小于鋼鐵材料的應(yīng)力范圍37.11～185.04 MPa。鋁合金電池包的安全系數(shù)范圍為1.71～12.90，高于鋼鐵材料的安全系數(shù)范圍1.07～8.22，且同等應(yīng)力條件下的安全系數(shù)是鋼鐵材料的1.2 倍左右。同樣，在該工況下，鋁合金電池包的服役性能更好。

圖4b 為該工況下應(yīng)力集中位置與發(fā)生概率關(guān)系。同樣，應(yīng)力主要集中在下箱體。最大應(yīng)力按概率易發(fā)生在下箱體吊耳、托架螺紋孔處、下箱體底面以及承受緊急制動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力的小側(cè)面。這是由于緊急制動(dòng)時(shí)，箱體里面的電池因?yàn)閼T性作用繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)而對(duì)前面的小側(cè)面產(chǎn)生了一定的沖擊力，顛簸情況下電池上下振動(dòng)產(chǎn)生的力作用在電池箱底面，并通過(guò)模組支架再傳遞到托架、吊耳上，應(yīng)力出現(xiàn)在約束箱體位移的吊耳和托架的螺栓孔處。

圖4 顛簸緊急制動(dòng)工況力學(xué)分析

4 動(dòng)態(tài)載荷分布

汽車零部件設(shè)計(jì)時(shí)通常都會(huì)將一階模態(tài)頻率作為一項(xiàng)基本指標(biāo)，當(dāng)汽車自身零部件與行駛時(shí)路面的激振頻率處于同一區(qū)間時(shí)，將會(huì)極大地降低整車的安全舒適度，同時(shí)也會(huì)發(fā)出共振噪聲。對(duì)電池箱的模態(tài)分析可以得到箱體的一階固有頻率和振型，從振型上可以找出箱體結(jié)構(gòu)剛度不足的地方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由參考文獻(xiàn)［56］可知，路面引起車身的振動(dòng)頻率通常在1.32～27.78 Hz 區(qū)間，所以在設(shè)計(jì)電池箱體時(shí)，其一階模態(tài)頻率需要高于路面激振頻率，以便有效地減小該頻率區(qū)間對(duì)箱體的激振。

本文總結(jié)了不同輕量化設(shè)計(jì)電池包的一階固有頻率和振型，見表5。由模態(tài)分析結(jié)果可知，不同輕量化設(shè)計(jì)電池包的一階模態(tài)頻率均高于27.78 Hz，都避開了路面隨機(jī)激勵(lì)的頻率帶，這表明汽車行駛時(shí)不會(huì)與來(lái)自路面的激勵(lì)發(fā)生共振，振型主要集中在箱體頂蓋、底板和側(cè)圍。

表5 不同輕量化電池包結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)與振型分布

輕量化電池包結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，如圖5 所示。由圖5a可知，隨著電池包質(zhì)量的增加，一階模態(tài)頻率存在下降的趨勢(shì)，所以電池包過(guò)重會(huì)增加與路面激勵(lì)共振的風(fēng)險(xiǎn)。鋁合金電池包的一階模態(tài)頻率范圍28.22～102.34 Hz，高于鋼鐵材料的一階模態(tài)頻率范圍為30.22～58.13 Hz。因此，使用輕量化

的鋁合金材料在減輕箱體質(zhì)量的同時(shí)，可提高低階模態(tài)頻率，從而有效避免外界激勵(lì)，減少電池包的振動(dòng)損耗。

由圖5b 可知，振動(dòng)發(fā)生在上箱體的概率是62%，下箱體的概率是26%，箱體側(cè)壁的概率是8%。頂蓋部分發(fā)生振動(dòng)彎曲變形的概率較大，容易引發(fā)共振，降低電池箱的使用性能和疲勞壽命。由于上箱體不承重，在滿足輕量化的同時(shí)，還要提高其一階模態(tài)頻率，因此鋁合金是合適的材料。其次是箱體底面及側(cè)壁，出于結(jié)構(gòu)安全性的考慮，在電池包設(shè)計(jì)時(shí)，在這些部位增加加強(qiáng)筋來(lái)提升結(jié)構(gòu)的剛度是十分必要的。

圖5 不同輕量化電池包結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

5 結(jié)論

電池包結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)多為輕質(zhì)材料下結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化，選用合適的輕量化材料對(duì)提升電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和輕量化水平具有重要意義和工程應(yīng)用價(jià)值，能夠?qū)崿F(xiàn)箱體有效地減輕質(zhì)量和延長(zhǎng)整車的續(xù)駛里程。通過(guò)總結(jié)不同品型電池包在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性4 個(gè)方面的性能參數(shù)，比較了滿足4 個(gè)方面要求的輕量化電池包用材料的服役性能，評(píng)估了不同材料的輕量化效果。主要結(jié)論如下：

（1）在同等質(zhì)量下，鋁合金電池包的體積更大，有利于空間內(nèi)電池模組的優(yōu)化排布；同等體積下，鋁合金電池包的質(zhì)量更輕，可以多配置同等質(zhì)量的電池，增加續(xù)駛里程。

（2）鋼鐵材料用作電池包箱體材料，占據(jù)了較大比例。其中，DC01 和Q235 兩種材料是應(yīng)用最為廣泛的普通鋼；在鋁合金中，Al6082-T6 和Al6061-T6是兩種使用較多的箱體材料，但使用量遠(yuǎn)不及鋼鐵材料廣泛，其成本限制了大規(guī)模應(yīng)用。不同系列鋁合金材料的比強(qiáng)度均顯著高于鋼鐵材料，鋁合金的輕量化性能優(yōu)異。

（3）在顛簸急轉(zhuǎn)彎和顛簸緊急制動(dòng)工況下，鋁合金電池包的最大應(yīng)力范圍均低于鋼鐵材料的應(yīng)力范圍；鋁合金電池包的安全系數(shù)均高于鋼鐵材料范圍。鋁合金電池包的應(yīng)力集中小且安全系數(shù)高，服役性能更好。最大應(yīng)力主要集中在下箱體吊耳、托架螺栓孔、底面以及側(cè)圍。

（4）隨著電池包質(zhì)量的增加，一階模態(tài)頻率存在下降的趨勢(shì)，電池包過(guò)重會(huì)增大與路面激勵(lì)共振的風(fēng)險(xiǎn)。鋁合金電池包的一階模態(tài)頻率在28.22～102.34 Hz 之間，高于鋼鐵材料的一階模態(tài)頻率范圍30.22～58.13 Hz，選用鋁合金電池包可在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)提高低階模態(tài)頻率。振型主要集中在上箱體中部、下箱體中部和側(cè)圍，所以通過(guò)在這些部位增加加強(qiáng)筋來(lái)提升結(jié)構(gòu)的剛度十分必要。

（5）鋁合金是安全合適的汽車輕量化材料，可在不降低電池包動(dòng)靜態(tài)特性要求的前提下有效減輕車身質(zhì)量，延長(zhǎng)續(xù)駛里程。此外，鋁合金還具有質(zhì)量/體積值低、比強(qiáng)度高、應(yīng)力集中小且安全系數(shù)高、一階模態(tài)頻率高等方面的優(yōu)勢(shì)，但其成本限制了大規(guī)模應(yīng)用。隨著對(duì)長(zhǎng)續(xù)駛純電動(dòng)汽車需求的增長(zhǎng)，發(fā)展高性能低成本鋁合金具有廣闊的應(yīng)用前景。