纯电动汽车动力电池包结构静力分析及优化设计

纯电动汽车动力电池包结构静力分析及优化设计

摘要： 动力电池包作为纯电动汽车的唯一动力源，承受着电池组等模块的质量，因此其强度、刚度必须满足使用要求才可以保证行驶的安全性。在建立其有限元模型的基础上，分析了电池包结构在弯曲工况、紧急制动工况、高速转弯工况、垂直极限工况以及扭转工况下的强度、刚度。分析结果显示，在垂直极限工况下，电池包底板的受力情况最为恶劣，因此对原有模型做出了改进，改变底板加强筋的布置形式。经过相同工况的模拟，发现在力学性能提升的基础上，整体质量得以减轻，实现了轻量化的目标。

关键词： 动力电池包 有限元法 静力分析 优化设计

Abstract： As the only power source of pure electrical vehicle，the power battery pack bears the

weight of several models such as the battery model. To ensure the safety,the pack’s strength and stiffness must meet the fundamental requirements. This paper mainly analyzed the strength and stiffness under different working conditons on the base of a finite element model. The rsult shows that and the corresponding stress and deformation graphs are obtained.The structure of the battery pack is improved after analyzing the causes of the stress concentration.Also, the performance of the new model is compared with the original one.The results show that the weight of the structure is reduced while the performance of the structure is improved, and the lightweight of the vehicle is realized.

Keywords: power battery pack finite element method static structural analysis optimal design

引言

小型纯电动汽车作为我国新能源汽车产业化的战略车型之一，得到了人们越来越多的关注。动力电池包作为纯电动汽车的唯一动力源，起着保证电池组正常、安全工作的关键作用。本文对国内某一微型纯电动汽车的电池包的结构进行静力分析，计算出不同行驶工况中结构受到外部载荷时的应力与应变情况，并对结构的强度、刚度进行校核，发现原有结构中存在不足的地方，对其进行了相应地优化设计，使得电池包结构在使用性能提高的同时，自身的重量降低。

1.电池包结构分析

1.1电池包结构有限元模型

本文所研究的电池包是一种箱体结构，如图1所示，由高强度钢板焊接而成。因此采用板壳单元模拟电池包结构。为了减少模型前处理工作量，并不影响总体计算精度的前提下，在建立电池包有限元模型时，做出了以下的简化工作：如忽略一些尺寸较小的倒角、圆角、工艺孔等结构。 1.2边界条件约束

边界条件约束是结构有限元分析中的一个重要部分。约束的正确性决定着计算分析结果的准确性。由于电池包通过7个螺栓与车身连接，因此对连接的部分施加固定约束。 1.3材料属性

电池箱底板需承受较大的载荷，因此选用DC01型号的高强度冷轧钢板。材料参数见表1。

表1. 材料参数

材料

DC01

屈服强度(MPa) 抗拉强度（MPa） 密度(g/cm3)

210

270

7.85

泊松比

0.30

弹性模量

2.07e5

1.4计算工况

由于此款电池包应用于微型纯电动汽车，其主要在城市路面上行驶，因此对其在行驶过程中可能遇到的五种工况进行分析。即弯曲、制动、转弯、垂直极限和扭转五种工况。 1.4.1弯曲工况分析

电池包满载静止工况主要是用来模拟电动汽车静止或者在路况较好的路面上行驶时的结构应力分布及变形情况。在这种工况下，电池包主要受到的载荷是包括电池包中的电

池模块、控制模块以及连接部件等质量在重力加速度作用下所产生的重力。 1.对结构施加的载荷

由于电池包结构通过七个螺栓与车身相连接，所以电池包结构只需要承载电池包自身的重力即可而无需考虑到整车上的乘员以及货物的质量。该电池包的整备质量为140kg，取重力加速度g=9.8N/m2。因此要对结构施加的载荷为F=mg=140*9.8=1372N。在有限元模型中，将载荷施加在结构的重心上。 2.分析结果

经过ANSYS软件分析计算之后，得到了电池包结构的应力与应变云图，如图1.1。

图1.1电池包满载弯曲工况应力云图

从图中的数据可以看出，结构中应力最大处的应力为85.775MPa,出现在吊耳和底部支撑加强筋的边缘，这主要是因为电池包尺寸较大，加强筋的跨度比较大加之处在电池包的两端，因此应力会比较集中。但是最大应力85.775MPa仍远小于材料的屈服极限, 因此结构是安全的。

图1.2电池包满载弯曲工况应变云图

从应变云图中，可以看出最大变形量为0.78823mm,出现在承重底板的中心处。这样的变形量虽然不是很大，不影响结构的使用功能，但是还有较大的优化空间。

1.4.2制动工况分析

电池包高速制动工况将模拟车辆在行驶过程中紧急制动时的载荷情况。车辆在制动时，电池包除了承受自身的重力外，还将受到纵向制动加速度引起的惯性力作用。而惯性力的大小则主要取决于制动加速度的大小以及电池包的重量这两个参数。 1.对结构施加的载荷

车辆的最大制动加速度可近似由如下关系式求得，即a=v2/2s，v为车辆的行驶速度，s为将制动踏板处于最大行程所得制动距离。测得最大制动加速度为0.8g=7.84m/s2。对电池包的重心施加载荷，载荷分为两部分，其一是电池包本身的重力F1=mg=140*9.8=1372N，其二则是作用在电池包上的惯性力F2=ma=140*0.8*9.8=1097.6N。 2.分析结果

经过分析，得到车辆在满载时高速制动工况下应力、应变分布云图。

图1.3电池包满载制动工况应力云图

图1.4电池包满载制动工况应变云图

从图中可以看出电池包的最大应变值为0.78897mm，最大变形的位置仍然在底板的中心位置，最大应力值为84.165MPa,主要集中与底部支撑加强筋的边缘与x方向的两个吊耳上。为了得出吊耳具体的受力应变应力情况，我们将对吊耳进行局部的有限元分析，对其进行

单独的模型建立，并且划分网格，将吊耳所受到的载荷独立地施加在吊耳上，以此来分析吊耳的受力情况。对吊耳的上侧方形凸台面上受力的圆环面施加-Z方向，大小为F=20*9.8=196N的力，同时在受制动惯性力的圆柱面上施加-X方向，大小为156.8N的力。 由于吊耳通过点焊方式与电池包主体结构连接，所以对8个焊点连接处设置固定约束。

图1.5吊耳网格

图1.6制动工况下吊耳应力云图

由应力云图可以看出，吊耳最大应力为23.036MPa,应力比较集中的地方在吊耳下方的焊点处和上方方形凸台的外侧边缘，因为外缘的材料较少所以应力会比较集中，但还是远远小于材料的屈服极限的，因此结构是安全的。

1.4.3转弯工况分析

车辆在高速转弯时，车身因离心力作用而产生侧向载荷，由于动力电池包是与车身连接在一起的，所以在车辆高速转弯时，电池包也将承受一定的侧向载荷。离心加速度的大小由转弯半径与行驶车速的高低决定。在此工况下电池包需要承受的是自身的重力与离心力载荷。

1.对结构施加的载荷