铝合金电池包结构分析及优化

铝合金电池包结构分析及优化
李冰;张德伟;谷晗;徐鑫;刘瑞萍;韩立胜
【摘要】利用CAE分析技术对某铝合金电池包结构进行了承载能力和球击工况分析.电池包满足承载能力需求,具有较高的安全系数;评价了电池包底部抵抗变形能力,绘制出力-位移变化曲线,并改进了电池包底板结构,使得电池包在球击工况下底板变形量由11.8 mm降到10.4 mm,结构刚度明显提升.
【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2019(040)004
【总页数】3页(P55-57)
【关键词】铝合金电池包;球击;结构优化;有限元分析
【作者】李冰;张德伟;谷晗;徐鑫;刘瑞萍;韩立胜
【作者单位】辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003
【正文语种】中文
【中图分类】TG113.25;O242.21
伴随我国经济的迅猛发展，新能源汽车以节能、环保等优势成为汽车行业发展的必然趋势[1]。

电池包是新能源汽车的核心部件之一，是新能源车的唯一动力来源。

电池包设计的质量直接影响新能源汽车整车的性能[2]。

其中电池包箱体对整个电池系统起着承载、装配、安全防护的作用。

因此，对电池包体结构强度的研究具有重要意义。

M.Hartmann等[3]人运用OptiStruct对电池包的结构进行了优化设计，提高了固有频率，同时质量减轻了20%。

王文伟等[4]运用三区间法对某汽车电池包结构进行频率疲劳响应分析，分析表明电池包结构满足随机振动试验要求。

但是目前对全铝结构的电池包模拟研究相对较少。

本文以某全铝电池包为研究对象，利用有限元法，对其电池包进行了承载性能分析和动态球击分析，并对结构进行优化设计。

1 有限元模型的建立
本文研究的电池包由铝型材通过焊接而成，材料为6061-T6。

为减少模型前处理的工作量，在保证模拟结果准确率的前提下，对结构的倒角、工艺孔等细小特征进行简化处理。

有限元模型(铝合金材质)如图1所示，6061材料属性如表1所示。

表1 电池包材料属性Table 1 material properties of battery pack材料名称弹性模量/MPa泊松比密度/g·cm-3屈服强度/MPaAl6061-T6692970.332.70240 图1 有限元模型Fig.1 The finite element modal
由于电池包通过螺栓与车身连接，能约束电池包的安装点，评价电池包的承载及底部球击能力。

2 工况分析结果
2.1 承载能力分析
因考虑到续航里程，电池模组的重量相对较大；当汽车行驶在凹凸不平路面或是加速启停时，电池模组会对壳体产生较大的冲击力。

通过有限元法分析电池包壳体的承载能力。

电池包壳体施加300 kg质量，在3 g加速度下计算电池包体的承载能力(考虑安全系数)，结果如图2所示。

电池包最大应力为28 MPa，主要集中在电
池包与车身连接位置，电池包框架的最大变形为0.1 mm。

由分析结果可知，电池包具有较强的承载能力，满足使用要求。

(a)应力云图；(b)位移云图图2 承载工况(a)stress cloud；(b)displacement cloudFig.2 The carrying condition
2.2 球击分析
本文分析的电池包安装在新能源车身底部，行驶过程中，车身底部会遭遇石头或其他坚硬物体的冲击，若电池包底部设计薄弱，电池组会发生起火爆炸。

通过底部球击工况模拟计算，评价电池包底部抵抗冲击变形能力。

使用直径为φ150 mm的刚性球击打电池包底部薄弱位置。

电池包壳体底部与电
池模组的最小间隙为安全距离，本文分析采用的电池包安全距离为12 mm。

根据评价准则：当刚性球的位移达到安全距离时，支反力小于25 kN，则电池包结构
设计不合理。

电池包薄弱点力-位移曲线如图3所示。

当支反力为25 kN时，球的位移已经达到11.8 mm，接近安全距离12 mm，电池包设计结构的刚度不满足
要求。

需对结构进行优化改进。

图3 力-位移曲线Fig.3 Force-displacement curve
2.3 结构改进
初版电池包壳体底部与电池模组间距较小，底部受到物体冲击容易对电池模组及水冷系统造成影响，因此，对电池包底板进行优化设计，如图4(b)所示。

保证电池
包安装精度前提下，在底板设计加强筋，增加电池壳体底部与电池模组的间距的同时，提高结构抵抗变形能力。

对比优化前后的模型，电池包壳体底部距电池模组距离由12 mm增加到20 mm，优化前后结构的薄弱位置的力-位移曲线如图5所示。

(a)原始结构；(b)改进结构图4 电池包结构示意图(a)original structure；
(b)improved structureFig.4 Structure diagram of battery pack
图5 优化前后力-位移曲线Fig.5 Force-displacement curve before and after optimization
优化后的结构刚度明显提升，支反力为25 kN时，球的位移为10.3 mm，小于安全距离20 mm。

避免电池组因受到冲击而起火的风险。

通过结构优化改进，电池包底部刚度满足使用要求。

3 结论
本文对电池包进行了承载能力及球击工况分析，并对结构进行了改进设计。

1)铝合金电池包承载能力较强，满足使用要求。

2)初版铝合金电池包底部抵抗球击能力不满足要求。

对电池包底板进行结构改进，改进后的结构刚度明显提升，满足刚度度要求。

参考文献
【相关文献】
[1] 叶晓翠,王兵,朱永智,等.某电动乘用车电池包安装强度分析[J].时代汽车,2016(12):56-57 .
[2] 王钲强,宋书全.纯电动汽车的设计与开发[J].汽车技术,2013(2):26-28，55.
[3] Hartmann M. Enhanced Battery Pack for Electric Vehicle: Noise Reduction and Increased Stiffness[J].Materials Science Forum, 2013, 765: 818-822.
[4] 王文伟,程雨婷,姜卫远，等.电动汽车电池包结构随机振动疲劳分析[J].汽车工程学报,
2016,6(1):10-14.
[5] 张德伟,孔雪,唐强,等.铝合金车架性能分析[J].热处理技术与装备,2018,39(5):62-66.。