楊明 喬延濤 蔡存朋 張醒國 劉天寶

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春130013）

0 引言

在新能源汽車政策的激勵(lì)下，自2010年以來我國新能源電動(dòng)汽車取得了快速發(fā)展，電動(dòng)汽車產(chǎn)品性能、產(chǎn)能、銷量都有大幅提升。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，電動(dòng)汽車的成本大幅降低，動(dòng)力性能和駕駛性能已經(jīng)超過傳統(tǒng)汽車。特別是動(dòng)力電池能量密度的快速提升使得汽車?yán)m(xù)駛里程越來越接近傳統(tǒng)汽車。

但是隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，其安全問題越來越凸顯。這就要求在電動(dòng)汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，工程師需要從用戶角度出發(fā)，充分識別產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行充分驗(yàn)證。動(dòng)力電池作為純電動(dòng)乘用車的能源存儲部件，其性能直接影響整車安全性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和使用便利性。從近年來電動(dòng)汽車事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看[1]，動(dòng)力電池已成為電動(dòng)汽車安全事故的焦點(diǎn)，因此動(dòng)力電池的安全是電動(dòng)車設(shè)計(jì)的重中之重。動(dòng)力電池的安全性包括了機(jī)械安全、電氣安全、熱安全和環(huán)境安全。而電池箱體作為動(dòng)力電池的核心承載件，其結(jié)構(gòu)的可靠性直接與電池總成的機(jī)械安全性強(qiáng)相關(guān)。電動(dòng)車在行駛過程中發(fā)生的動(dòng)力電池箱體密封失效、固定結(jié)構(gòu)開裂失效均與電池箱體結(jié)構(gòu)可靠性直接相關(guān)。國內(nèi)在電池安全設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方面做了大量研究，中國汽車技術(shù)研究中心王芳等[2]系統(tǒng)性地闡述了動(dòng)力電池系統(tǒng)安全分析、設(shè)計(jì)原理、流程與方法，并對動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和論述[3]，閆婉等[4]闡述了動(dòng)力電池振動(dòng)疲勞的測試驗(yàn)證策略與具體實(shí)施方法。

電池箱體作為動(dòng)力電池的主要組成部分，承載了電池主體質(zhì)量，也是電池與整車固定的載體。為了提高電池安全性及車輛的經(jīng)濟(jì)性，需要保證電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠與輕量化。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中充分利用結(jié)構(gòu)CAE 仿真優(yōu)化技術(shù)，從隨機(jī)振動(dòng)、沖擊、擠壓和密封多維度進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化，可有效提升動(dòng)力電池總成機(jī)械安全性能，避免發(fā)生因動(dòng)力電池箱體設(shè)計(jì)剛度和強(qiáng)度不足所引發(fā)的各種安全事故，如電池箱體結(jié)構(gòu)開裂導(dǎo)致電池密封失效引發(fā)絕緣風(fēng)險(xiǎn)，又如電池箱體內(nèi)部模組或配電盒固定結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致電池高低壓電連接異常引發(fā)電壓跳變、短路風(fēng)險(xiǎn)。基于CAE 仿真分析結(jié)果，可在設(shè)計(jì)階段對電池箱體的機(jī)械可靠性進(jìn)行評價(jià)及改善，從而避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，進(jìn)而提高電池安全性，有效降低電動(dòng)汽車安全風(fēng)險(xiǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者在電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面做了很多研究。付靜江[5]通過有限元分析方法，對動(dòng)力電池包進(jìn)行靜態(tài)載荷工況計(jì)算。陳南等[6]通過建立精細(xì)化有限元模型，進(jìn)行溫度場模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這是提高電池包研發(fā)能力的重要方向。賈峰等[7]通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與形貌優(yōu)化，提高了電池箱體機(jī)械性能。蔡揚(yáng)揚(yáng)等[8]提出，車身和底盤電池箱體結(jié)構(gòu)一體化、一次成形和連接技術(shù)輕量化將是電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要趨勢。歐陽威等[9]提出了一種基于數(shù)值優(yōu)化與有限元仿真相結(jié)合的動(dòng)力電池箱體輕量化設(shè)計(jì)方法。劉娜等[10]綜合運(yùn)用有限元仿真工具，為電池箱體結(jié)構(gòu)輕量化改進(jìn)提供了指導(dǎo)思路。Hartmann 等[11]使用有限元優(yōu)化軟件，優(yōu)化了電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了電池箱體質(zhì)量。Kaleg等[12]結(jié)合Von Mises等效應(yīng)力與許用應(yīng)力的材料強(qiáng)度分析方法，對電池箱體結(jié)構(gòu)壁厚進(jìn)行了優(yōu)化。Xia等[13]提出了一種分析電池底部碰撞的通用方法，為電池箱體設(shè)計(jì)提供了指南。Kukreja 等[14]提出一種可保證電池安全的多功能電池系統(tǒng)，有助于改善在整車碰撞中的能量吸收。Zhang等[15]提出一種基于截?cái)嗥娈愔淀憫?yīng)面模型的有限元模型更新方法。

本文在上述研究案例靜態(tài)分析基礎(chǔ)上，引入隨機(jī)振動(dòng)疲勞損傷分析模型，通過疲勞損傷分析，有效識別結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，基于仿真結(jié)果對箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改善，有效提高了電池箱體的結(jié)構(gòu)可靠性。

本文根據(jù)電池模組布置形式對箱體進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合CAE 仿真結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。經(jīng)模態(tài)、振動(dòng)仿真分析確認(rèn)，箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的方案可以有效改善箱體的結(jié)構(gòu)可靠性。

1 電池箱體初版方案設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池常布置在整車地板下，電池箱體作為電池的承載件，在汽車行駛過程中，承受來自道路的多種振動(dòng)工況和整車加速減速帶來的機(jī)械沖擊，所以電池箱體從材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都需要確保其本身有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以保證動(dòng)力電池系統(tǒng)穩(wěn)健和可靠。

1.1 電池箱體材料選擇

隨著電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程和能耗要求提高，電池系統(tǒng)能量密度水平也相應(yīng)提高，應(yīng)用輕量化材料可有效減輕電池質(zhì)量并提高能量密度，進(jìn)而降低能耗提升續(xù)駛里程。目前，在電池包上應(yīng)用比較成熟的輕量化材料有鋁合金和復(fù)合材料2大類，表1列出了2種材料的對比。

表1 鋁合金材料和復(fù)合材料對比

本文箱體方案選擇鋁合金材料，電池箱體在邊框和底板上采用形腔結(jié)構(gòu)，起到加強(qiáng)作用。為保證良好的擠出成形工藝，主體壁厚設(shè)計(jì)為2 mm。焊接工藝對鋁合金強(qiáng)度影響較大，本方案選擇焊接變形小的連接工藝，主體采用攪拌摩擦焊連接工藝，局部采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Metal Inert Gas，MIG）連接工藝。

1.2 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文電池總成邊界輸入為2 000 mm×1 300 mm×140 mm，內(nèi)部14 個(gè)電池模組采用圖1 所示的布置方式，以做到空間利用率最高。箱體初步設(shè)計(jì)思路如下：

圖1 電池模組布置示意

（1）每排模組間采用貫通箱體的加強(qiáng)橫梁支撐，如圖2所示共計(jì)6條橫梁，形成完整順暢的傳力路徑，在整車側(cè)碰時(shí)防止箱體嚴(yán)重變形。

圖2 電池箱體示意

（2）箱體四周邊框高度高于模組重心位置，當(dāng)電池總成受到擠壓時(shí)，可以更好的避免模組損傷。

（3）在箱體邊框兩側(cè)分別對稱設(shè)計(jì)6 個(gè)整車吊裝固定點(diǎn)，固定點(diǎn)位置在兩條橫梁中間，靠近模組重心位置，可以對模組起到更好支撐。

（4）箱體四周邊框與地板、橫梁采用焊接方式連接。

2 電池箱體有限元分析

動(dòng)力電池箱體結(jié)構(gòu)主要按照GB 38031—2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》[16]的工況，并結(jié)合整車實(shí)際工況進(jìn)行仿真分析。本文選取約束模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)2個(gè)方面進(jìn)行有限元分析。

2.1 有限元建模

在有限元前處理軟件HyperMesh 中建立電池箱體分析模型，如圖3所示。有限元模型主要包括上蓋總成、箱體總成、模組、冷卻板、控制器等結(jié)構(gòu)，其中，鈑金結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬；鑄造結(jié)構(gòu)采用四面體實(shí)體單元模擬；型材結(jié)構(gòu)采用6面體單元模擬，焊縫用實(shí)體焊縫模擬。各部分結(jié)構(gòu)之間根據(jù)實(shí)際情況定義接觸關(guān)系。

圖3 電池總成有限元前處理

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要進(jìn)行系統(tǒng)的約束模態(tài)分析，計(jì)算動(dòng)力電池箱體在約束狀態(tài)下各階振動(dòng)頻率與振型，并和整車激勵(lì)頻率進(jìn)行比較，避免電池結(jié)構(gòu)固有頻率與整車激勵(lì)頻率相同或接近而引發(fā)電池箱共振。

通過模態(tài)分析可得系統(tǒng)1階約束模態(tài)振動(dòng)頻率為27 Hz，振型如圖4 所示。經(jīng)過判斷，該1 階振動(dòng)頻率低于設(shè)計(jì)限值要求的35 Hz，與整車激勵(lì)頻率接近，有共振造成電池箱體結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 模態(tài)分析結(jié)果示意（1階）

2.3 隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)分析的目的是計(jì)算電池受到長時(shí)間隨機(jī)振動(dòng)所帶來的累積損傷。隨機(jī)振動(dòng)分析的加載條件來源于道路試驗(yàn)采集時(shí)間和加速度路譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的功率譜密度（Power Spectral Density，PSD），本文所采用的隨機(jī)振動(dòng)載荷如表2所示，每個(gè)方向測試時(shí)間為12 h。

表2 隨機(jī)振動(dòng)測試功率譜密度 g2/Hz

分別在X、Y、Z方向進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，并進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算得到3 個(gè)方向損傷云圖。如圖5～圖7 所示，X向隨機(jī)振動(dòng)工況下箱體局部損傷大于1，Y、Z向隨機(jī)振動(dòng)工況下箱體損傷遠(yuǎn)大于1。損傷高的位置主要集中在橫梁焊縫位置及箱體中部區(qū)域。

圖5 箱體X方向隨機(jī)振動(dòng)損傷

圖6 箱體Y方向隨機(jī)振動(dòng)損傷

圖7 箱體Z方向隨機(jī)振動(dòng)損傷

電池箱體隨機(jī)振動(dòng)工況下?lián)p傷高于限值，有振動(dòng)破壞風(fēng)險(xiǎn)。

3 第2輪方案設(shè)計(jì)優(yōu)化及仿真分析

3.1 箱體設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)第1 輪仿真分析結(jié)果，該電池總成1 階模態(tài)的振型為電池總成中部區(qū)域振動(dòng)，在27 Hz 的振動(dòng)頻率下，中部區(qū)域會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生較大變形；隨機(jī)振動(dòng)損傷值高的位置主要分布與橫梁中部區(qū)域及橫梁2側(cè)焊縫區(qū)域。

分析原因?yàn)樵撾姵豗向尺寸大，箱體內(nèi)部無縱梁結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)致中部區(qū)域剛度差，隨機(jī)振動(dòng)工況下2側(cè)焊縫區(qū)域受力較大。

結(jié)合CAE仿真結(jié)果，對箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化改善，主要措施如下。

（1）如圖8所示，在電池箱體中部增加2個(gè)縱梁結(jié)構(gòu)，用于在電池箱體橫梁下方提供支撐結(jié)構(gòu)，改善電池箱體在Y方向的剛度，進(jìn)而提高電池箱體中部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖8 電池箱體優(yōu)化方案示意

（2）優(yōu)化箱體橫梁和邊梁焊接結(jié)構(gòu)，并在拐角增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，用于改善橫梁與邊梁焊縫連接強(qiáng)度。

3.2 仿真分析

針對電池總成2 輪設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真分析，計(jì)算結(jié)果顯示電池總成2輪設(shè)計(jì)方案的1階約束模態(tài)振動(dòng)頻率提升到28 Hz，振型為底板中部前、中、后3個(gè)區(qū)域的局部共振，如圖9所示。經(jīng)過判斷，該1階振動(dòng)頻率低于設(shè)計(jì)限值要求的35 Hz，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 模態(tài)分析結(jié)果示意（1階）

由于電池總成的1 階模態(tài)提升較少，僅對電池總成Z方向的隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了分析，損傷云圖如圖10所示，Z向隨機(jī)振動(dòng)工況下電池箱體的損傷仍遠(yuǎn)大于1，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 箱體Z方向隨機(jī)振動(dòng)損傷

4 第3輪方案設(shè)計(jì)優(yōu)化及仿真分析

4.1 箱體設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)第2 輪仿真分析結(jié)果，第2 輪電池總成設(shè)計(jì)優(yōu)化模態(tài)振動(dòng)頻率從27 Hz 提升到28 Hz，僅提升了1 Hz，遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期效果。分析原因?yàn)殡m然本輪設(shè)計(jì)方案在電池中部區(qū)域增加了2個(gè)縱梁，但受制于布置限制，該縱梁高度僅為12 mm。

下面為簡支梁撓度計(jì)算公式[17]及矩形結(jié)構(gòu)截面的慣性矩計(jì)算公式[17]：

式中，ymax為撓度；F為力；l為力臂長度；E為彈性模量；I為截面慣性矩。

式中，Iz為截面慣性矩；b為矩形截面寬度；h為矩形截面高度。

根據(jù)上述計(jì)算公式可知，在Z向隨機(jī)振動(dòng)工況下，相較于寬度方向尺寸，高度方向尺寸對于結(jié)構(gòu)梁剛度的影響程度更大。第2輪設(shè)計(jì)優(yōu)化正是由于新增的縱梁高度較低，對于截面慣性矩的提升有限，因此對于電池總成1階模態(tài)的提升較小。

由于該電池總成X、Y方向跨度大，結(jié)合電池總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置情況和總成重量信息，分析認(rèn)為，在不增加中部固定點(diǎn)的情況下，單純通過設(shè)計(jì)加強(qiáng)梁的結(jié)構(gòu)，較難實(shí)現(xiàn)電池總成剛度的大幅提升。因此，為了改善電池總成整體剛度和強(qiáng)度，并避免邊梁出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞失效風(fēng)險(xiǎn)，在整車布置可行的前提下，采用了以下措施。

（1）如圖11 所示，橫梁數(shù)量減少50%，寬度增加30%，同時(shí)橫梁高度增加15 mm，并在每根橫梁上設(shè)計(jì)2個(gè)對稱的整車固定點(diǎn)，提升電池總成中部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖11 電池箱體優(yōu)化方案示意

（2）優(yōu)化箱體橫梁和邊梁連接處結(jié)構(gòu)，增加過渡圓角，減小應(yīng)力集中。

（3）通過第1 輪仿真分析發(fā)現(xiàn)箱體邊梁受力情況較好，相應(yīng)減小邊梁框架結(jié)構(gòu)材料厚度。通過優(yōu)化邊梁斷面及橫梁數(shù)量，新方案實(shí)現(xiàn)重量降低8%。

4.2 仿真分析

針對改進(jìn)方案進(jìn)行仿真分析，改進(jìn)方案1 階約束模態(tài)振動(dòng)頻率為55 Hz，振型為箱體前部中間區(qū)域局部振動(dòng)，如圖12所示，遠(yuǎn)高于整車激勵(lì)頻率，滿足1階模態(tài)設(shè)計(jì)限值要求。

圖12 模態(tài)分析結(jié)果示意（1階）

電池箱體X、Y、Z方向隨機(jī)振動(dòng)損傷云圖如圖13～圖15所示，隨機(jī)振動(dòng)工況下X、Y、Z方向損傷值均小于1，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 箱體X方向隨機(jī)振動(dòng)損傷

圖14 箱體Y方向隨機(jī)振動(dòng)損傷

圖15 箱體Z方向隨機(jī)振動(dòng)損傷

通過本輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化，大幅提高了電池總成的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了電池總成1階模態(tài)振動(dòng)頻率大幅提升，并大幅降低了隨機(jī)振動(dòng)工況下的結(jié)構(gòu)損傷。結(jié)合本輪仿真結(jié)果，最終確定設(shè)計(jì)方案。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)第3 輪的設(shè)計(jì)方案試制了箱體樣件，并組裝成電池總成進(jìn)行臺架驗(yàn)證。試驗(yàn)載荷譜按照表2 進(jìn)行。

如圖16 所示，電池箱體隨總成進(jìn)行X、Y、Z向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)路譜與仿真工況一致，試驗(yàn)過程中電池總成無異常，試驗(yàn)后箱體外觀無開裂等損傷。

圖16 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

如圖17 所示，用振動(dòng)試驗(yàn)后的電池箱體進(jìn)行海水浸泡測試，試驗(yàn)后拆解電池上蓋，電池內(nèi)部沒有浸水，證明電池箱體在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)未發(fā)生密封失效。

圖17 海水浸泡試驗(yàn)

如圖18 所示，對振動(dòng)試驗(yàn)后的電池總成進(jìn)行拆解，拆解后觀察箱體內(nèi)部狀態(tài)，箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，無松動(dòng)、變形、破壞和斷裂現(xiàn)象，電池模組固定螺栓力矩正常。

圖18 振動(dòng)后的電池箱體

6 結(jié)論

本文闡述了電池箱體的材料選型，依據(jù)電池內(nèi)部布置對電池箱體進(jìn)行了詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)CAE仿真結(jié)果對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了2 輪設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過CAE分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的快速迭代，減少了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，保證動(dòng)力電池產(chǎn)品的安全可靠。

對于電池箱體設(shè)計(jì)，通過CAE 仿真分析，可以快速識別設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)，從而縮短開發(fā)周期、減少試驗(yàn)驗(yàn)證次數(shù)，降低開發(fā)費(fèi)用。

另外通過仿真與試驗(yàn)共同驗(yàn)證了，結(jié)構(gòu)梁高度方向尺寸對其剛度的影響程度相較于其他方向尺寸更大，這對于電池箱體內(nèi)加強(qiáng)梁的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。