动力电池系统结构分析及优化设计方案

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目录

1 电池包设计原则 (4)

2 研究目标 (5)

3 研究内容 (6)

3.1电池包有限元模型 (6)

3.2 仿真计算条件 (7)

3.3 计算结果分析 (7)

3.3.1 静力学结构仿真 (7)

3.3.2 振动仿真 (9)

3.3.3 动态仿真 (11)

3.4 电池包结构优化设计 (12)

4.技术能力与效益预测 (13)

5.发布单位 (14)

1 电池包设计原则

蓄电池包为由一个或多个蓄电池模块组成的单一机械总成。通常每套电动车用动力电源系统由多个电池包组成。电池包包括电池模块、箱体、连接线束、管理板等。

电池包的设计需满足以下要求：

(1)满足整车安装条件，包括尺寸、安装接口等；

(2)电池箱体与电池模块之间的绝缘，电池箱体与整车之间绝缘；

(3)防水、防尘满足IP67或以上要求；

(4)减少电池包内部使电池产生自放电的可能性；

(5)各种接口（通信、电气、维护、机械）等完全、合理；

(6)模块在电池箱体内的固定、电池包在整车上的固定满足振动、侧翻、碰撞等要求；

(7)温度场设计合理，要求电池箱体内部电池温差不超过5摄氏度；

(8)禁止有害或危险性气体在电池包内累积，更不能进入乘客舱；

(9)部分应用（纯电动汽车）要求快速更换。

电池包的最大外形要满足整车安装空间的要求，设计时注意考虑电池包的安装与维护。电池包的安装位置要考虑冲击、振动、侧翻等情况，箱体应能承受一定程度的冲击力（可以参照电池模块的冲击性能测试要求进行设计）。车型不同，留给电池包的空间不一样，电池包的设计必须与整车设计相结合。

电池包内部应利于电池模块的排布与安装。电池包形状应与电池模块布置形状相适应。当冷却系统工作时，冷却风扇提供的冷却气流应能均匀地流过每个电池模块周围，箱内不能形成气流的“死区”和涡流，保证电池模块工作过程中温度均匀、性能一致，防止个别电池模块早期损坏。

电池包除了必须与外界进行直接接口的地方外，电池箱必须是密封的。除必需的通风孔外均不能与大气相通。密封箱内的要求主要考虑电池冷却气流的流动问题，不能在某处泄漏，避免冷却气流的流动性差造成电池模块工作温度的不一致，从而导致性能的一致性进一步的恶化，并且避免外界粉尘的进入。

电池包的外壳材料可以选择高强度、耐腐蚀的塑料或金属壳体，选择金属壳体则内、外部必须进行耐腐蚀的绝缘处理。

2 研究目标

新能源汽车未来逐渐替代传统汽油车早已成为汽车产业界的共识，作为核心部件的动力电池在很大程度上决定着新能源汽车动力类型的选择方向及发展速度。

本课题主要定位于动力锂离子电池包屈服强度、刚度、疲劳强度和振动模态分析。考虑到电池包运行工况，运用Ansys workbench对电池包在1倍、2倍、3倍载荷作用下的强度、刚度、疲劳进行仿真分析，对现有电池包进行结构分析及优化改进，最终达到如下研究目标：

(1)建立电池包静力学结构分析有限元模型；

(2)对一代包进行静力学仿真计算，获得电池壳体应力分布图、最大位移分布图及电池包安全系数分布图；

(3)针对仿真结果，对包内薄弱环节进行改进和加强，使其达到刚度强度及车载振动的要求；

(4)在正常使用过程中，使电池包内各结构件的最大应力不超过其许用应力的90%；最大位移保持在很小范围内。

3 研究内容

3.1电池包有限元模型

对电池包三维模型进行处理，建立电池包有限元模型，如图1所示。

图1 电池包有限元模型

3.2 仿真计算条件

静力学结构仿真计算工况分为：1倍载荷、2倍载荷、3倍载荷。1倍载荷作用下，40个电池模组质量等效为1800N方向竖直向下的作用力；约束方式以壳体支撑件处螺栓连接作为固定约束，具体载荷分布图及约束方式示意图如下：

图2 1倍力作用下载荷分布及约束示意图

3.3 计算结果分析

3.3.1 静力学结构仿真

由静力学仿真结果可知，在1倍载荷作用下，电池包内最大应力值为131.05Mpa，位于电池包内靠近前后加强筋的位置；最大位移为3.1051mm，位于包外壳多个电池模组中间位置，如图3、图6所示；在2倍载荷作用下，包内最大应力值为262.1Mpa，最大位移为

6.2102mm，如图4、图6所示；在3倍载荷作用下，包内最大应力值为393.14Mpa，最大位移为9.3153mm如图5、图6所示；在安全系数的分布上，如图7所示，包内安全系数最低值为0.658，位于包内最靠近电池模块的加强筋的圆角位置，该处最容易产生疲劳失效。

根据结果分析可得，在结构强度方面，3倍载荷作用下，包内靠近电池模组的加强筋处最大应力达到393.14Mpa，接近该构件材料许用应力，容易出现断裂；在结构刚度方面，3倍载荷下位移为9.3mm，位移量较小，满足使用要求；在疲劳强度方面，包内安全系数最小值为0.658，对于结构钢钢板，其设计安全系数应不小于1，该处容易出现疲劳失效。

图3 1倍载荷应力分布图图4 2倍载荷应力分布图

图5 3倍载荷应力分布图

图6 不同载荷下壳体位移分布图

图7 安全系数分布图

3.3.2 振动仿真

结合电池包具体运行工况，对电池包进行振动模态仿真，获得电池包在不同振动工况下的12阶模态内的固有频率和振动情况，分析电池包上容易出现损坏的薄弱位置并根据仿真结果对电池包结构进行相应的优化设计；由模态分析结果可得该电池包在相应约束下振动的固有频率表，可知前7阶固有频率接近0 Hz，为刚性振动阶段，进行NVH舒适性分析时一般从第8阶开始，可知8~12阶的振动频率为88.799 Hz~159.79 Hz，满足车用不小于30 Hz的要求且未出现极低频率的振动。8~12阶模态示意图如图9所示。