摘 要：【目的】以某電動汽車的電池箱體為研究對象，對電池箱體進行輕量化設計?！痉椒ā繌牟牧陷p量化角度入手，選擇不同的金屬材料，結合有限元分析，使用CAE仿真分析技術，建立電池箱體的有限元模型，并對電池箱體進行4種典型工況下的靜態(tài)特性分析和模態(tài)分析。【結果】對電池箱下箱體有限元模型進行了靜態(tài)特性分析，得到了3種材料下的電池箱下箱體的應力云圖和變形云圖，并進行相應的分析；對3種材料下的電池箱下箱體前6階約束模態(tài)進行了分析，得出了相應的特征頻率?！窘Y論】通過仿真分析得到的不同材料電池箱下箱體的靜態(tài)特性和模態(tài)特性數(shù)據(jù)，經(jīng)過評估和比較各種材料電池箱下箱體的整體性能，并綜合考慮了其經(jīng)濟適用性后，最終選擇采用鋁合金作為電池箱下箱體的輕量化材料。

關鍵詞：電動汽車；電池箱體；材料輕量化設計；CAE

中圖分類號：U465 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）17-0019-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.004

Lightweight Design of Electric Vehicle Battery Box

WANG Ning MA Haolan YAO Huijun

（ Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo 454950， China）

Abstract： [Purposes] Taking the battery box of an electric vehicle as the research object， the lightweight design of the battery box was carried out. [Methods] Starting from the perspective of material lightweight， different metal materials were selected. Combined with finite element analysis， CAE simulation analysis technology was used to establish a finite element model of the battery box. Then， static characteristic analysis and modal analysis were conducted on the battery box under four typical working conditions. [Findings] Static characteristic analysis was conducted on the finite element model of the lower body of the battery box， and stress and deformation diagrams of the lower body of the battery box under three different materials were obtained and analyzed accordingly; the first 6 constrained modes of the battery box under three different materials were analyzed， and the corresponding characteristic frequencies were obtained. [Conclusions] By analyzing the static and modal characteristics of different materials of battery boxes obtained through simulation， the overall performance of various materials of battery boxes under the box was evaluated and compared. After considering their economic applicability， aluminum alloy was ultimately chosen as the lightweight material for the battery box under the box.

Keywords： electric vehicle; battery box; material lightweight design; CAE

0 引言

近年來，我國新能源汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。在蓬勃發(fā)展的中國新能源汽車市場中，汽車廠商要想獲得更有利的市場競爭優(yōu)勢，就要進一步提高新能源汽車在性能、續(xù)航里程等方面的技術水平。無論是傳統(tǒng)燃油汽車，還是純電動汽車，降低汽車能源消耗從而增加續(xù)航里程的有效方法之一便是減輕汽車自身的重量［1］。因此，汽車輕量化技術顯然成了一項必不可少的核心技術。汽車車身及其零部件的輕量化要求是：在保證汽車整體強度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車整體的質量，從而提高汽車的能耗經(jīng)濟性，減少能源消耗［2］。

純電動汽車為了滿足預期的續(xù)航里程要求，需要通過增加電池的數(shù)量或者裝配能量密度更高的電池［3］。而電動汽車的電池箱體是承載整個汽車動力系統(tǒng)的重要部件，需要滿足一定的強度與剛度標準，才能保證電動汽車正常行駛的安全性，所以往往采用較厚且較重的電池箱體來裝載電動汽車的動力電池系統(tǒng)。為了實現(xiàn)電動汽車輕量化，達到降低電動汽車能耗、提高續(xù)航里程的目的，本研究將從材料輕量化角度入手，對純電動汽車的電池箱體進行輕量化的設計和研究。

1 電池箱下箱體有限元模型的建立

本研究的研究對象為某品牌純電動汽車，其動力電池為磷酸鐵鋰電池，該電池包結構主要由上蓋、電芯、托架、下箱體等部件組成件組成。動力電池箱下箱體主要承載電池模組，并直接面對外部環(huán)境的干擾，經(jīng)常處于苛刻的工作環(huán)境中。因此，對下箱體的設計要滿足較高的機械性能需求，一般選用高強度的鋼板、鋁合金及鎂合金等材料。電池箱體裝配時的固定點數(shù)量通常需要8個以上，并且滿足對稱、均勻地分布。本研究主要以該電動汽車電池箱下箱體展開輕量化研究。

根據(jù)要求，對該款電動汽車的動力電池箱下箱體進行初步設計。首先，對電池箱體結構進行合理簡化處理，基于SolidWorks軟件建立幾何模型。模型參考該車的電池箱數(shù)據(jù)，長為2 092 mm、寬為1 464 mm、高為140 mm，并設計了12個螺栓固定點，每個螺栓孔的直徑為15 mm；其次，將構建的電池箱下箱體三維模型在SolidWorks軟件中轉為Parasolid文件格式，并將其導入到Ansys Workbench 2022 R1處理軟件中；最后，在進行有限元分析之前，對其進行幾何清理，以簡化不必要的細節(jié)，從而在不影響計算精度的前提下，為后續(xù)的網(wǎng)格劃分和提高分析效率奠定基礎［4］。同時，需要根據(jù)結構的實際情況和精度要求來選擇合適的單元尺寸，進行網(wǎng)格劃分［5］。

本研究設計的動力電池箱下箱體結構和形狀較為規(guī)則，故采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分，電池箱體部件的單元尺寸設定為20 mm。電池箱下箱體模型進行網(wǎng)格劃分后的結果如圖1所示。

2 靜態(tài)分析工況

電動汽車在實際行駛過程當中，其車身零部件會受到各種路況的影響。由于在不同的路況下，汽車各零部件所受到的載荷也不相同，若通過有限元分析來計算各種工況下電動汽車動力電池箱下箱體所受到的應力和變形分布情況較為困難。因此，在進行靜態(tài)分析時，通常選取汽車在實際行駛中所遇到的典型工況進行分析。

本研究選取4種典型工況來對動力電池箱下箱體進行靜態(tài)分析，分別為在顛簸道路的情況下，前進制動、后退制動、左轉彎、右轉彎這4種典型工況，從而對不同材料的電動汽車動力電池箱下箱體進行靜態(tài)性能的分析。

電動汽車動力電池箱的裝配是通過電池箱下箱體的12個螺栓固定點與底盤進行連接的。因此，在有限元模型的分析中，應限制這些螺栓固定點在X、Y、Z方向上的全部自由度。在實際行駛過程中，電池箱體任何工況下都以滿載狀態(tài)運行，其中電池模組的配重大約為440 kg。根據(jù)汽車實際運行情況，定義有限元模型X軸負方向為車輛前進方向，Y軸負方向為駕駛員左側方向，Z軸正方向為垂直地面向上。查閱相關文獻可知，動力電池箱下箱體在不同典型工況下對應的加載和約束［5］見表1。

3 不同材料電池箱下箱體靜態(tài)分析

3.1 顛簸路面前進制動工況

對電池箱下箱體在顛簸路面前進制動工況時，進行靜態(tài)分析。根據(jù)設計模型，在有限元分析軟件Ansys中導出該材質的電池箱下箱體質量，得到其滿載后質量，并基于Ansys中靜態(tài)結構模塊對其進行靜態(tài)分析。電池箱裝載的電池模組在該工況下對電池箱下箱體產(chǎn)生的垂向沖擊載荷，以均布載荷形式加載在下箱體的底部與前部，分別為[Fz+]和[Fx-]，施加的載荷大小均為1.0 mg，由此可得到不同材料下，電池箱下箱體在顛簸路面前進制動工況時的變形云圖。

Q235鋼材質的電池箱下箱體在顛簸路面前進制動工況時的變形云圖和應力云圖如圖2所示。從圖2可知，在顛簸路面前進制動工況下，Q235鋼材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為76.214 MPa，最大變形值為3.253 7 mm。

同理，根據(jù)結果可知，在顛簸路面前進制動工況下，鋁合金材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為65.781 MPa，最大變形值為7.823 8 mm。鎂合金材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為63.602 MPa，最大變形值為11.841 mm。

3.2 顛簸路面后退制動工況

對電池箱下箱體在顛簸路面后退制動工況時，進行靜態(tài)分析。電池箱裝載的電池模組在該工況下對電池箱下箱體產(chǎn)生的垂向沖擊載荷，以均布載荷形式加載在下箱體的底部與后部，分別為[Fz+]和[Fx+]，施加的載荷分別為0.35 mg和1.0 mg，由此可得到不同材料下，電池箱下箱體在顛簸路面后退制動工況時的變形云圖。

Q235鋼材質的電池箱下箱體在顛簸路面后退制動工況時的變形云圖和應力云圖如圖3所示。從圖3可知，在顛簸路面后退制動工況下，Q235鋼材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為76.214 MPa，最大變形值為3.256 8 mm。

同理，根據(jù)結果可知，在顛簸路面后退制動工況下，鋁合金材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為65.761 MPa，最大變形值為7.831 4 mm。鎂合金材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為63.569 MPa，最大變形值為11.853 mm。

3.3 顛簸路面左轉工況

對電池箱下箱體在顛簸路面左轉工況時，進行靜態(tài)分析。電池箱所受的垂向沖擊載荷以均布載荷形式加載在下箱體的底部與右側，分別為[Fz+]和[Fy-]，施加的載荷分別為0.75 mg和1.0 mg，由此可得到不同材料下電池箱下箱體在顛簸路面左轉工況時的變形云圖。

Q235鋼材質的電池箱下箱體在顛簸路面左轉工況時的變形云圖和應力云圖如圖4所示。從圖4可知，在顛簸路面左轉工況下，Q235鋼材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為75.502 MPa，最大變形值為3.279 4 mm。

同理，根據(jù)結果可知，在顛簸路面左轉工況下，鋁合金材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為65.096 MPa，最大變形值為7.882 mm。鎂合金材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為62.916 MPa，最大變形值為11.93 mm。

3.4 顛簸路面右轉工況

對電池箱下箱體在顛簸路面右轉工況時，進行靜態(tài)分析。電池箱所受的垂向沖擊載荷以均布載荷形式加載在下箱體的底部與左側，分別為[Fz+]和[Fy+]，施加的載荷分別為0.75 mg和1.0 mg，由此可得到不同材料下電池箱下箱體在顛簸路面右轉工況時的變形云圖。

Q235鋼材質的電池箱下箱體在顛簸路面右轉工況時的變形云圖和應力云圖如圖5所示。從圖5可知，在顛簸路面左轉工況下，Q235鋼材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為75.904 MPa，最大變形值為3.343 6 mm。

同理，根據(jù)結果可知，在顛簸路面右轉工況下，鋁合金材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為66.897 MPa，最大變形值為7.862 2 mm。鎂合金材質的電池箱下箱體受到的最大應力值為64.683 MPa，最大變形值為11.899 mm。

3.5 電池箱下箱體靜態(tài)性能評估

結合仿真分析結果可知這3種金屬材料下的電池箱下箱體在4個典型工況下的最大應力值。而Q235鋼的屈服強度為235 MPa、鋁合金的屈服強度為259.2 MPa、鎂合金的屈服強度為154.9 MPa，因此，可以計算出各個典型工況下電池箱下箱體結構的安全系數(shù)，其結果見表2至表4。

表2 Q235鋼電池箱下箱體各工況下結構安全系數(shù)

[載荷工況 最大應力/MPa 屈服強度/MPa 安全系數(shù) 前進制動 76.214 235 3.08 后退制動 76.214 235 3.08 左轉彎 75.502 235 3.11 右轉彎 75.904 235 3.10 ]

表3 鋁合金電池箱下箱體各工況下結構安全系數(shù)

[載荷工況 最大應力/MPa 屈服極限/MPa 安全系數(shù) 前進制動 65.781 259.2 3.94 后退制動 65.761 259.2 3.94 左轉彎 65.096 259.2 3.98 右轉彎 66.897 259.2 3.87 ]

表4 鎂合金電池箱各載荷工況下結構安全系數(shù)

[載荷工況 最大應力/MPa 屈服極限/MPa 安全系數(shù) 前進制動 63.602 154.9 2.44 后退制動 63.569 154.9 2.44 左轉彎 62.916 154.9 2.46 右轉彎 64.683 154.9 2.39 ]

根據(jù)表中計算出的數(shù)據(jù)可知，在4種典型工況下，3種材料的電動汽車動力電池箱下箱體所承受的最大應力均低于材料自身的屈服強度。表明了在這4種典型工況下，3種不同材料的電池箱下箱體結構的安全系數(shù)均超過1，確保了其在一般條件下能夠正常使用。經(jīng)有限元仿真分析可知，鎂合金材料的屈服強度較低，導致該材料動力電池箱下箱體結構安全系數(shù)較其他材料偏低，而鋁合金材料的電池箱下箱體結構安全系數(shù)最高?；谛袠I(yè)標準，擬定安全系數(shù)為2，故根據(jù)表2、3、4中計算所得數(shù)據(jù)，3種材料的電動汽車動力電池箱下箱體在4種典型工況下的結構安全系數(shù)均可以滿足行業(yè)標準。

4 電池箱下箱體模態(tài)特性評估

本研究將計算模態(tài)分析，來獲得電動汽車動力電池箱下箱體的前6階約束模態(tài)。這3種不同材料的電池箱下箱體前6階約束模態(tài)分析結果見表5。

由表5可知，Q235鋼材料的電池箱下箱體的前6階模態(tài)固有頻率在26.777～52.044 Hz之間，其中電池箱下箱體的1階固有頻率為26.777 Hz；鋁合金材料的電池箱下箱體前6階模態(tài)固有頻率在27.11～52.751 Hz之間，其中電池箱下箱體的1階固有頻率為27.11 Hz；鎂合金材料的電池箱下箱體前6階模態(tài)固有頻率在26.963～52.504 Hz之間，其中電池箱下箱體的1階固有頻率為26.963 Hz。

依據(jù)《電動汽車動力蓄電池系統(tǒng)通用要求》（QC/T989-2014）和《汽車電氣設備基本技術條件》（QC/T413-2002）的規(guī)定，若電池箱體的1階固有頻率不在激勵頻率范圍（17～25 Hz），則電動汽車動力電池箱體與車身及其他零部件將不會產(chǎn)生共振。結果表明，本研究所述的3種不同材料的動力電池箱下箱體，其1階固有頻率均不在激勵頻率范圍內(nèi)，將不會產(chǎn)生共振，滿足設計要求。

5 結語

經(jīng)濟實用性是衡量各汽車廠商在市場競爭中的一個關鍵因素。經(jīng)查閱可知，Q235鋼、鋁合金、鎂合金這3種材料的價格分別為4.3元/kg、25元/kg、60元/kg，那么使用鋁合金和鎂合金的材料制造的電池箱下箱體，成本相較于Q235鋼材料的電池箱下箱體分別增加516.84元和1 081.1元，都具有較高的經(jīng)濟適用性。而且經(jīng)過有限元分析可得，這2種材料都具有較好的綜合性能和輕量化效果。其中，鋁合金材料的電池箱下箱體在靜態(tài)分析時，在4種不同典型工況下的最大應力和變形較低，具有較好的安全性能。然而，由于鎂合金的屈服強度較低，在4種不同典型工況下，鎂合金材料的電池箱下箱體的結構安全系數(shù)反而有所下降，因此，在本次電池箱下箱體輕量化設計的材料選擇中，不考慮使用鎂合金材料。

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［5］譚華江.某純電動汽車電池架多材料結構輕量化研究［D］.湘潭：湖南科技大學，2017.

收稿日期：2024-08-27

基金項目：河南省科技攻關項目（242102240015）資助。

作者簡介：王寧（1990—），女，碩士，助教，研究方向：工程材料；姚會君（1989—），女，碩士，講師，研究方向：新能源汽車電池熱管理、轉子動力學。