纯电动汽车动力电池包结构静力分析及优化设计(2)

对于高速转弯工况，在电池包上附加0.5g的侧向加速度来模拟转弯工况下电池包结构所受的载荷。所以要施加的载荷为两部分，其一是电池包的自重F1=140*9.8=1372N，其二是指向一侧的离心力，不妨取离心力方向是向左的，即F2=140*0.5*9.8=686N。 2.分析结果

图1.7转弯工况应变云图

由上图可以看出，应变较大的地方在支承电池组的地板中心处，应变最大值为0.79192mm。因此在之后的结构改进工作中要对此进行优化。

图1.8 吊耳应力云图

由于离心力载荷施加的是向左，所以位于电池包左右两侧的吊耳所受的拉压应力会略偏大。但是其最大应力值的为85.768Mpa,还是小于材料的屈服极限的。

1.4.4垂直极限工况分析

垂直极限工况是指车辆行驶在凹凸不平路面上时，发生垂直方向的颠簸从而产生垂直方向的载荷，引起结构发生变形的工况[1]。 1.对结构施加的载荷

在此工况下会发生的极限情况，就是车辆垂直方向载荷的变化，根据相关文献[2]，此工况

下可以达到的最大垂向加速度为1g，再加上电池包本身的重力加速度，因此要施加的载荷力F=2mg=2*140*9.8=2744N。 2.分析结果

图1.9 垂直极限工况结构应变云图

图1.10垂直极限工况结构应力云图

由上图可以看出，在2g垂向载荷作用下电池包底部的变形是相当明显的，最大应变值达到了1.5765mm，最大应力值达到了171.55MPa。因此加强支承底板中心处的强度是非常必要的。

4.3.5扭转工况分析

当电动汽车行驶在凹凸不平的路面上时，会发生某个车轮被抬高而另一个车轮悬空的情况。此时，由于车辆的左右两侧受力不对称，电池包会产生就比较剧烈的扭转，如果结构不能保证足够大的扭转刚度，那么电池包结构就会发生严重的变形，从而导致电池包内部的电池受到挤压，最终会发生电池组错位、电池溶液泄露、短路等危险现象[3]。 1.对结构施加的约束与载荷

当电池包的两侧受到不对称的载荷时，就会由于有扭矩的作用而使得电池包产生扭转变

形，在此工况下，设置两边的受力差值为1500N，即在电池包的一侧施加大小为1500N的力，另一侧进行固定，对有两个吊耳的一侧施加固定约束，有三个吊耳的一侧的限制X、Y方向的自由度，最后分析受力一侧的挠度，从而可以求得电池包的扭转刚度。 2.分析结果

图1.11扭转工况应变云图

图1.12宽为93mm吊耳扭转工况应力云图

由图中可以看出，扭转工况下的最大应变出现在受力一侧最大应变值为0.36355mm，在1500N的集中力作用下，这样的变形量还不足以使得电池发生错位，因此，电池包结构具有足够的扭转刚度。而此时最大应力值为190.95MPa，主要集中于电池包的宽为93mm的吊耳上。

2.电池包结构优化设计

2.1结构存在问题综述

综合前述对电池包结构的静力学分析，我们可以发现2个共性的问题。 1.在四种工况下，电池包底部支承板加强筋的边缘应力都比较集中。

2.电池包底部支承板的中心变形较大。2.2改进方案

1.针对上述第一个问题，主要原因是电池包的横向尺寸比较大，达到1000mm，因此底部支承板加强筋的跨度比较大，加之其中部所受载荷比较大，导致中部变形量也较大，所以其边缘处的受力情况比较复杂，因此应力会比较集中。所以考虑将底部支承板加强筋改成与原来垂直的方向，并从原来的2条加强筋增加到3条。

2.针对第二个问题，主要是因为加强筋之间的间距较大，对底板中部的支撑作用较小，所以在上述基础上，将一根加强筋的位置放在底板的中心部位，这样就可以有效地增加对底板的支承，从而减小底板的变形量。

对电池包的结构进行改造，其三维模型如下图所示，中间的加强筋经过电池包的中心点，两侧的加强筋距离中间的加强筋为218mm。

图2.1改进前后电池包模型示意图

2.3优化模型验证

将新模型导入ANSYS软件，分别对其施加上文所述的5种不同工况下的载荷，分析其应力与应变情况。得出改进前后结构的最大应力、应变值的变化情况，为了更加鲜明地进行对比，将结果制成如下条形图。

图2.2改进前后电池包模型各工况下应力情况对比条形图

图2.3改进前后电池包模型各工况下应变情况对比条形图

由对比图中可以清晰地看出，改进前后电池包结构的性能发生了较大的变化，在各工况下，改进后结构的应力最大值均有较大幅度的减小，应变值除了扭转工况下有很小的增加，其他工况下的减小量均达到了58%左右，可见改善的效果是相当明显的。同时，值得注意的是，所使用加强筋的总长度由2000mm减少到1836mm，在截面形状不变的情况下，材料的使用减少了164mm，减轻了整个电池包的重量，在性能提高的基础上实现了轻量化。