铝合金电池箱结构优化设计

1 引言
电动汽车的大力发展，换电式电动汽车 以换电时间短、续驶里程长等优点广受企业 青睐。电池箱是盛装电池的重要零部件之 一，电池箱的设计既要满足机械设计要求， 也要满足电气设计要求。
因企业根据经验设计生产，在电池箱材 料厚度选择上不是最优，在一定程度上造成 了浪费。基于此，结合三维建模软件对电池 箱进行结构设计，利用有限元软件对电池箱 进行有限元分析非常有必要。
结合实际生产需求，保证成本最优和工 艺合理性，选用所有部件厚度一致的电池 箱，厚度为4mm。受颠簸工况是汽车运行时 电池箱的极限工况，仅考虑车辆在此状况下 的受载荷情况。
每个电池箱内装有四块电池单体，每块 电池单体为22.5Kg，载荷大小为882N。取最 大冲击加速度为3g，依据电池箱受力节点数 量来计算力的大小。电池箱节点为8503个， 每个节点受力为0.3118N。
材料为各向同性材料，弹性模量为7x104N/ mm-2，泊松比为0.33，屈服强度为195N/mm-2， 质量密度为2.68x10-9Kg·mm-3。经查阅资料， 汽车行驶时主要受到扭转、冲击、纵向和侧向 载荷，取纯电动汽车在车辆颠簸、急刹车、急 拐弯路况下的最大加速度为垂直向上的2g、与 行驶方向相反1g、向左0.4g[3]。
转、弯曲等复杂工况时，不会发生塑性变形 和开裂现象。
动态分析；包括固有特性分析和和响应 分析，振型、频率等相关模态参数组成了电 池箱的固有特性，决定对动载荷响应。对模 态分析，得到电池箱振型分布和固有频率， 是判断电池箱是否会发生共振依据。
优化设计；设计时各个指标之间往往会 相互矛盾，确定主要指标，要求电池箱满足一 个或多个主要指标要求，次要指标达到最佳。
触，不会发生滑移现象。通过电池固定带对电 池固定。发生碰撞时，电池不会甩出车外；过 流装置会迅速断开，不会发生短路；受到挤压 变形时，电池内部物质不会流出。（3）通风、 防水、绝缘、散热要求。预留通风口，实现散 热。电池箱喷涂绝缘漆，对焊缝处涂密封胶， 接插件自带密封，实现防水性能。
3 电池箱结构设计及有限元模型建立
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汽车零部件常用材料有普通钢板、高强 钢、铝合金，有各自不同特点。铝合金因其 密度只有钢的1/3，在汽车零部件中应用较 广，如车身覆盖件、轮毂、仪表架、行李箱 罩、发动机罩大量使用铝合金材料[1]。
本文按照电池箱设计要求，对电池箱进 行了结构设计和静动态特性分析。以避开白 车身振动频率范围和轻量化为目标进行了结 构优化设计，采用二分法逼近试验获得电池 箱的最优结构。
2 电池箱设计要求
电池箱的设计需要满足不仅要满足机械 设计要求，还要满足电气设计要求。
（1）机械强度试验要求。满足台架试验、 振动试验、冲击试验及开模要求，提高电动汽 车的整体匹配性能。在振动试验机上进行振动 试验，振动试验需要满足在X轴、Y轴、Z轴的 振动频率范围是10HZ-55HZ；最大加速度为 30m/s2；扫频次数为10次；扫频频率为10CT/ min。试验后无变形、无松动、无损坏。（2） 碰撞安全要求。电池单体在电池箱内彼此接
热传导系数是衡量电池箱的热传导、散 热性能重要指标，热传导系数越高，热传导 性能越好。就热传导系数而言，铁为80W/ mK，铝为237W/mK。铝合金除了具有良 好的导热和散热性外，还具有机械加工性能 好、适用于各种制造方法、耐腐蚀性好、回 收重复利用率高等特点[2]。电池箱盛装电池， 电池消耗会散发大量热量，本文选用5052H32作为铝合金电池箱材料。
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铝合金电池箱结构优化设计
汤贵庭 1，2 1. 重庆广播电视大学 重庆市 400052 2. 重庆工商职业学院 重庆市 401520
摘 要：电池箱是电动汽车的重要部件。本文按照电池设计要求，设计某型号电动汽车电池箱，建立了电池箱的三维 模型和有限元模型，分析了电池箱在电动汽车极限工况下的静动态特性，分析表明电池箱结构有优化设计空 间。以改变一阶模态和电池箱结构轻量化为目标，结合二分法试验，进行电池箱结构优化设计。优化结果表 明：采用 5052-H32 铝合金作为电池箱材料，电池箱厚度为 1.625mm 时，电池箱综合性能满足要求，质量减 轻了 18.75%，结构最优。
利用有限元软件进行前处理，得到电池 箱有限元模型。
3.3 电池箱静动态分析 3.3.1 刚度矩阵 电池箱结构单元的刚度矩阵由e=bu得 到。e为单元的应变矩阵，u为单元结点的位 移列阵。刚度矩阵与电池箱材料的弹性模量 和泊松比有关。 3.3.2 有限元应力平衡方程 采用应力应变和单元应变位移关系，将 二维单元的应力矩阵转化为结点位移关系， 基于位移场分布，满足应力平衡方程。用直 接法或迭代法求解器求解平衡方程。 3.3.3 电池箱静态分析 静态分析，采用RADIOSS计算，电池箱 单元类型选择四边形和三角形的混合形式。 电池箱分两块加工，通过单排布置点焊焊 接。计算电池箱的位移、应力，进行强度校 核，避免出现失效。
3.1 电池箱结构设计 电池箱包括电池箱本体、线缆组件、电 池单体、连接器以及电池监测系统。考虑维 修的便捷性、电池的互换性和通用性，本文 所研究的电池箱设计为无盖长方体，长宽高 为725mm x 215mm x 280mm。沿长方体长 的方向，两端各放置两块电池单体，中间放 置电池监测系统组件、连接器及线缆。 3.2 电池箱有限元模型建立 利用有限元软件对电池箱进行静动态分 析，获取复杂工况下电池箱受外力时的应 力、应变、位移情况。基于分析结果，对结 构进行强度、刚度评价，不合理参数进行变 更和优化设计，通过力学评价及试验校核， 确定最终设计方案。 电池箱有限元分析目标：对车辆行驶时 的急转弯、急刹车、爬坡、涉水、剧烈颠簸 振动等不同工况进行静、动态分析和优化设 计。达到结构最优的效果。 静态分析；保证电池箱在承载冲击、扭