黃建祥，林歆悠，李明林，高永華，黃 裕，廖國(guó)才

（1.龍巖市海德馨汽車(chē)有限公司，福建龍巖 364000；2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；3.福建特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院龍巖分院，福建龍巖 364000）

0 引言

動(dòng)力電池較普通消費(fèi)類(lèi)電池具有更高的能量密度、更高的充放電性能和更長(zhǎng)的使用壽命，對(duì)于推動(dòng)電動(dòng)交通的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。動(dòng)力電池作為電動(dòng)車(chē)輛的核心部件，其安全性得到了高度重視[1]。電池箱體是電池組的載體，在電池安全防護(hù)方面起關(guān)鍵作用。電池箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求其防護(hù)等級(jí)、強(qiáng)度、剛度、散熱、密封等滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著新能源車(chē)的快速發(fā)展，應(yīng)急車(chē)輛也開(kāi)始嘗試使用動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能或動(dòng)力來(lái)源[2]。然而，對(duì)于礦山采礦行業(yè)，應(yīng)急車(chē)輛的應(yīng)用則面臨著極端惡劣的環(huán)境。這使得對(duì)于動(dòng)力電池箱體的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的要求更加嚴(yán)格。

隨著動(dòng)力車(chē)輛的發(fā)展，動(dòng)力電池箱體結(jié)構(gòu)樣式各異，主要是為了適應(yīng)不同類(lèi)型的電池包結(jié)構(gòu)。當(dāng)前的電池包結(jié)構(gòu)有“類(lèi)平板型”、“刀片型”、“土字型”、“丄型”和電池底盤(pán)一體化等[1]。為了提高電池箱體的使役性能，有限元方法已廣泛用于各類(lèi)電池箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3-8]。

本文針對(duì)某型應(yīng)急車(chē)輛的動(dòng)力電池箱體，利用數(shù)字化技術(shù)和有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模和強(qiáng)度剛度分析，校驗(yàn)箱體性能，為車(chē)輛的研發(fā)和箱體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供理論依據(jù)，減少樣品試驗(yàn)次數(shù)、降低研發(fā)經(jīng)費(fèi)、縮短研發(fā)周期，有利于促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展。

1 電池箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)電池組及附件的尺寸大小，確定電池箱體的長(zhǎng)寬高分別是1 205 mm × 955 mm × 122 mm。此外，電池箱體對(duì)自重、防腐、散熱和絕緣等的要求甚高。本文主要考慮箱體在行駛過(guò)程中承受的沖擊和振動(dòng)問(wèn)題。

1.1 電池箱體設(shè)計(jì)的要求

當(dāng)今國(guó)內(nèi)外對(duì)電池箱體設(shè)計(jì)在強(qiáng)度和剛度方面的部分要求[9]如下。

1.1.1 基本要求

電池箱體的設(shè)計(jì)關(guān)系到整車(chē)的安全性，所以其首要目標(biāo)就是保證在汽車(chē)行駛時(shí)的變形和應(yīng)力分布在可接受范圍內(nèi)。查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，得知箱體需滿足電氣設(shè)備外殼防護(hù)等級(jí)IP67設(shè)計(jì)要求[10]。

電動(dòng)汽車(chē)每增加1 kg，每行駛100 km 要多消耗5～10 W·h 的電能[11]。因此，在保證箱體強(qiáng)度可靠的前提下，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)或采用新材料等措施盡可能降低其重量。

1.1.2 碰撞安全性能要求

發(fā)生碰撞時(shí)，箱體應(yīng)滿足下列要求。

（1）如果動(dòng)力電池組安裝在乘客艙外，電池組及其附件不得穿透車(chē)身；如果動(dòng)力電池組安裝在乘客艙內(nèi)，電池箱體的任何移動(dòng)不得觸碰乘客。但建議人電分離，所以電池組一般不放在乘客艙內(nèi)[12]。

（2）如果發(fā)生碰撞時(shí)，箱內(nèi)電池單體和附件不能散落，特別要避免電池箱體從車(chē)上甩出。

（3）如果發(fā)生碰撞時(shí)，電池箱體需保證因電池單體和附件的擠壓而產(chǎn)生的變形量在安全范圍之內(nèi)。

綜上所述，電池箱體除了滿足極端工況下的應(yīng)力和位移要求外，還應(yīng)有較大的安全系數(shù)范圍。

1.2 電池箱體的布置方案

若將電池箱體布置在前艙。與燃油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)布置相似，可改善整車(chē)的軸荷分布情況以及動(dòng)力性能，對(duì)電池的檢修方便。但前艙內(nèi)還需布置動(dòng)力和冷卻等系統(tǒng)，需較大空間。且發(fā)生車(chē)輛正面碰撞時(shí)，前艙的電池箱體將受到直接沖擊，易使電池組損壞，引發(fā)事故。對(duì)于后驅(qū)車(chē)型，需在中央通道布置傳動(dòng)軸，且離乘客艙過(guò)近，存在潛在危險(xiǎn)。因此不推薦將電池組布置在前艙和中央通道位置。

若將電池箱體布置在后備箱中。雖便于電池拆裝，但占用行李箱空間。而且電池質(zhì)量較大，前后輪載荷分配不合理，將導(dǎo)致汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性傾向過(guò)轉(zhuǎn)向，操縱穩(wěn)定性變差[13]。因此也不建議布置在后備箱中。

因此，車(chē)身底板下方是較理想的布置空間。該方案空間利用率高，且箱體位于大剛度車(chē)架內(nèi)側(cè)，碰撞時(shí)所受沖擊載荷較小。箱體安裝在中部能降低汽車(chē)重心，整車(chē)操縱穩(wěn)定性和平順性得到改善[14]。但該位置工作環(huán)境較惡劣，電池易受到侵蝕，故箱體需要完全密封，且需要滿足最小離地間隙，以使車(chē)輛能通過(guò)不同路況。綜上所述，最終確定某型車(chē)輛電池箱體布置在車(chē)身底板下方。具體電池箱體（綠色）的布置位置如圖1所示。

1.3 電池箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 上蓋設(shè)計(jì)

上蓋主要作用是密封，受力不大，針對(duì)輕量化問(wèn)題可選用高強(qiáng)度的工程塑料作為上蓋材質(zhì)，但是考慮到電磁屏蔽，決定使用鍍鋅薄鋼板，并采用沖壓成型工藝[15]。為提高上蓋和下箱體的密封效果，在上蓋的邊緣進(jìn)行翻邊處理，在裝配時(shí)可以包裹住下箱體的凸緣，起到防止密封圈脫落的作用，并且該結(jié)構(gòu)在一定程度上可以引導(dǎo)液體流向電池箱體外部，避免液體對(duì)電池系統(tǒng)造成破壞。在加工過(guò)程中需嚴(yán)格控制邊緣的平面度，使上蓋、密封圈和下箱體更好的貼合。上蓋和下箱體之間通過(guò)M8 螺栓連接，螺栓數(shù)目需綜合考慮拆裝的工作量和上蓋、下箱體之間的緊密程度，最終決定在平面XY內(nèi)呈對(duì)稱布置，X方向上有12 個(gè)螺栓孔，Y方向上有10 個(gè)螺栓孔，孔中心位置則與下箱體壁之間有足夠的扳手空間。

1.3.2 下箱體設(shè)計(jì)

電池組、BMS、環(huán)氧樹(shù)脂板和均衡板等附件放置在下箱體中，所以下箱體內(nèi)部需要有內(nèi)箱體、擋塊、壓條等結(jié)構(gòu)來(lái)固定電池組和其他附件，保證在汽車(chē)行駛過(guò)程中電池組不發(fā)生竄動(dòng)。下箱體內(nèi)設(shè)計(jì)有3 個(gè)內(nèi)箱體、21個(gè)帶M10的螺紋孔的安裝塊、15個(gè)擋塊和15根壓條，多種結(jié)構(gòu)相互配合將各部件的位置固定。本文僅考慮電池組的布置，對(duì)于其他附件的布置只預(yù)留空間，不做深入討論。下箱體凸緣的螺栓孔參考上蓋的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，同理，對(duì)于凸緣的平面度公差也要求較高。

1.3.3 固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱體要有足夠強(qiáng)度防范電池組的沖擊，因此在箱體底部焊有X、Y方向的橫縱梁來(lái)增加承載強(qiáng)度。在下箱體和橫縱梁中焊接有托腳，托腳經(jīng)緩沖墊與車(chē)身之間通過(guò)螺栓緊固連接，使電池箱體懸掛在汽車(chē)底板下方。固定點(diǎn)應(yīng)盡可能均勻?qū)ΨQ布置，使每個(gè)螺栓均勻地承受載荷。據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，安裝固定點(diǎn)建議為6～10個(gè)，本文選用10個(gè)托腳來(lái)進(jìn)行固定[16]。

圖1 電池箱體的布置位置

（1）箱體內(nèi)共布置有3 個(gè)內(nèi)箱體，每個(gè)內(nèi)箱體內(nèi)有10 個(gè)單體電池，呈上下排列，總共布置單體電池30 個(gè)，電池總質(zhì)量約為135 kg；

（2）內(nèi)箱體通過(guò)擋塊定位，電池組通過(guò)內(nèi)箱體和壓條固定；

（3）上蓋和下箱體之間有密封圈，并通過(guò)螺栓進(jìn)行連接固定；

（4）橫縱梁、下箱體和托腳焊接在一起，箱體與汽車(chē)底板之間總計(jì)有10個(gè)固定點(diǎn)。

箱體部件數(shù)模渲染圖和實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 箱體部分部件渲染圖、裝配圖和實(shí)體圖

2 電池箱體有限元模型的建立

2.1 材料、厚度和接觸關(guān)系的定義

電池箱體在汽車(chē)行駛過(guò)程中承受多種形式的載荷，綜合考慮箱體安全性、輕量化和防腐等要求，選材需滿足噴涂性好、焊接性好、成型加工性好、屈服性好[17-118]等要求。

3) 根據(jù)上述研究結(jié)果，在對(duì)水齡較長(zhǎng)的壓載水進(jìn)行處理時(shí)，僅需對(duì)壓載艙底層壓載水和沉積物進(jìn)行處理，便能在大大減少壓載水的處理量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓載水的有效管理。此外，在評(píng)估壓載水排放是否達(dá)標(biāo)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)艙底的壓載水和沉積物。

因此，上蓋、下箱體、內(nèi)箱體的材料選用DC03；托腳和橫縱梁需要較高的屈服強(qiáng)度來(lái)增長(zhǎng)其使用壽命，所以選用SAPH440鋼板。DC03和SAPH440的材料機(jī)械性能如表1所示。

表1 箱體所用材料的機(jī)械性能

箱體各部件厚度需考慮其受力情況、空間限制和輕量化等問(wèn)題。綜合多方因素，箱體各部件的材料和厚度如表2所示。

密封圈材料屬于超彈性材料，采用兩參數(shù)的Mooney Rivlin 模型構(gòu)造聚氨酯橡膠特性，其應(yīng)變能擬合曲線和機(jī)械性能分別如圖3和表3所示[19]。

表2 箱體各部件的材料和厚度

圖3 聚氨酯橡膠應(yīng)變能擬合圖

表3 聚氨酯橡膠的機(jī)械性能

在有限元中一般有五種接觸方式，分別適用不同的情況，各種接觸方式的特點(diǎn)列舉如表4[20]所示。

表4 有限元軟件接觸方式及特點(diǎn)

根據(jù)上述的接觸方式特點(diǎn)，定義箱體各部件之間的接觸方式如表5所示。

表5 電池箱體部件間的接觸方式

經(jīng)上述接觸關(guān)系定義，共產(chǎn)生57對(duì)接觸關(guān)系。

2.2 網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量控制

綜合考慮計(jì)算效率、仿真精度和計(jì)算機(jī)性能等多方面需求，采用網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能，在壓條、螺紋孔、加強(qiáng)筋等部位的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分。由于密封圈材料的非線性，需要將Shape Checking 選項(xiàng)設(shè)置為Aggressive Mechanical；Element Midside Nodes選項(xiàng)設(shè)置為Dropped。

網(wǎng)格質(zhì)量極大地影響結(jié)果可靠性，根據(jù)力學(xué)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)，反復(fù)調(diào)整劃分方法來(lái)滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求，最終箱體有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為701 337，網(wǎng)格數(shù)為359 356，有限元模型如圖4所示。

圖4 箱體的有限元模型

3 電池箱體靜態(tài)特性分析

本文僅討論某型車(chē)輛電池箱體在3 種極端工況下的靜態(tài)特性，分別是顛簸路面上急剎車(chē)、急加速和急轉(zhuǎn)彎。查閱汽車(chē)仿真文獻(xiàn)，箱體在顛簸路面行駛時(shí)上下方向要抵抗3g的加速度，在急剎車(chē)時(shí)前后方向要抵抗1.5g的加速度，在急轉(zhuǎn)彎時(shí)左右方向也要抵抗1.5g[13]。還需假設(shè)前提條件：（1）為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略附件質(zhì)量；（2）上蓋幾乎不受力。為更好地觀察將箱體上蓋和密封圈隱藏。

由于密封圈材料的非線性，需在求解控制中將Large Deflection 選項(xiàng)設(shè)置為On；在靜態(tài)分析時(shí)，材料定義中需將Mooney-Rivlin 2 Parameter 選項(xiàng)打開(kāi)，Isotropic Elasticity選項(xiàng)將自動(dòng)抑制。

單體電池的重量是4.5 kg，在3種工況下，施加在每個(gè)內(nèi)箱體下底板上的載荷都為1 323 N，方向垂直向下。

3.1 顛簸路面上急轉(zhuǎn)彎工況

除垂直方向外，施加在內(nèi)箱體側(cè)圍板和通風(fēng)道上的載荷是132.3 N，方向與行駛方向相反；施加箱體自身的重力加速度。由于箱體左右對(duì)稱，只需分析一個(gè)方向即可，本文以車(chē)輛左轉(zhuǎn)為例。

如圖5所示，在顛簸路面上急左轉(zhuǎn)彎時(shí)，箱體最大位移在第1個(gè)內(nèi)箱體上壁處，數(shù)值為0.060 4 mm；所受最大應(yīng)力分布于右邊第2個(gè)托腳處，數(shù)值為62.084 8 MPa。

圖5 顛簸左轉(zhuǎn)彎路況下的總位移和應(yīng)力云圖

3.2 顛簸路面上急加速工況

除垂直方向外，施加在內(nèi)箱體后板上的載荷是661.5 N，方向與行駛方向相反；施加電池箱體自身的重力加速度。

如圖6 所示，在顛簸路面上急加速時(shí)，箱體最大位移在第1 個(gè)內(nèi)箱體上壁處，數(shù)值為0.055 5 mm；所受最大應(yīng)力分布于左邊第2個(gè)托腳處，數(shù)值為56.589 0 MPa。

圖6 顛簸急加速路況下的總位移和應(yīng)力云圖

3.3 顛簸路面上急剎車(chē)工況

除垂直方向外，施加在每根壓條上的載荷是132.3 N，方向與行駛方向相同；施加電池箱體自身的重力加速度。

如圖7 所示，在顛簸路面上急剎車(chē)時(shí)，箱體最大位移在第2 排中間壓條處，數(shù)值為0.076 9 mm；所受最大應(yīng)力分布于第2排第1根壓條處，數(shù)值為64.670 0 MPa。

圖7 顛簸急剎車(chē)路況下的的總位移和應(yīng)力云圖

綜合以上3種工況，箱體所受最大應(yīng)力均發(fā)生在托腳或壓條處，其材料SAPH440的屈服強(qiáng)度為305 MPa，最大應(yīng)力值為64.67 MPa 小于材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)為4.72，有較高的可靠性。由靜力學(xué)分析可知，該電池箱體可以承受在其行駛過(guò)程中遇到的極端工況，不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

4 電池箱體模態(tài)特性分析

在模態(tài)分析時(shí)，材料定義中需將Isotropic Elasticity選項(xiàng)打開(kāi)，Mooney-Rivlin 2 Parameter 選項(xiàng)將自動(dòng)抑制。本文選用Direct，即Block Lanczos法，對(duì)電池箱體進(jìn)行自由模態(tài)分析，提取箱體結(jié)構(gòu)的前10 階固有頻率和振動(dòng)部位，如表6所示。

表6 箱體前10階自由模態(tài)結(jié)果

由表可知，前6 階的固有頻率都在6 Hz 以下，甚至接近于0，其余頻率皆在57 Hz 以上。前6 階模態(tài)屬于剛體模態(tài)，不具參考價(jià)值。在汽車(chē)行駛時(shí)，箱體將承受路面和電機(jī)振動(dòng)等載荷的共同激勵(lì)，該激勵(lì)下的頻率大概在30 Hz左右[14]。

綜上，電池箱體最低固有頻率大于激勵(lì)頻率，不會(huì)產(chǎn)生共振，具有較好的抗振性能。箱體的第7～10階自由模態(tài)振型如圖8所示。

圖8 箱體第7-10階自由模態(tài)振型圖

從振型圖看出，振動(dòng)主要在上蓋部位，所以上蓋的剛度較差，需對(duì)上蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

但汽車(chē)行駛時(shí)不是自由狀態(tài)，施加載荷或約束會(huì)使結(jié)構(gòu)剛度變化，基于上文靜態(tài)分析中3種極端工況對(duì)電池箱體進(jìn)行約束模態(tài)分析，結(jié)果極其相近，以顛簸路況上緊急制動(dòng)工況為例，箱體在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下前6階的固有頻率如表7所示。

表7 電池箱體前6階約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果

由表可知，電池箱體在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下固有頻率遠(yuǎn)大于共振頻率，所以在某型車(chē)輛行駛時(shí)，電池箱體的抗振安全性也較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某型車(chē)輛電池箱體為例，完成設(shè)計(jì)、建模和有限元分析過(guò)程。結(jié)論如下。

（1）箱體所受最大應(yīng)力為64.67 MPa，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。但是最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，存在浪費(fèi)材料的問(wèn)題，建議選用屈服強(qiáng)度較低的材料，減小部件厚度并將部件的材料統(tǒng)一，達(dá)到節(jié)省成本、降低自重和簡(jiǎn)化制造過(guò)程的目的；

（2）箱體的最小固有頻率為57.30 Hz，避開(kāi)綜合激勵(lì)頻率，在行駛過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生共振。但是主要振幅集中在上蓋，上蓋不宜是一個(gè)大平面，建議沖壓出加強(qiáng)筋來(lái)提高其剛度和抗振能力。

本文僅從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)箱體進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，在密封性和散熱性等方面考慮不周全，而這些問(wèn)題對(duì)于電池系統(tǒng)也是致命的，需進(jìn)一步深入討論。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池箱體的研發(fā)尚屬于起步階段，相關(guān)的規(guī)范性文件亟待出臺(tái)和完善，其所需滿足的標(biāo)準(zhǔn)和仿真條件都是基于工程經(jīng)驗(yàn)確定的，準(zhǔn)確性仍待進(jìn)一步討論。