纯电动汽车动力电池包结构静力分析及优化设计

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1、纯电动汽车动力电池包构造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、刚度必须满足使用规定才可以保证行驶的安全性。在建立其有限元模型的基本上，分析了电池包构造在弯曲工况、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。分析成果显示,在垂直极限工况下，电池包底板的受力状况最为恶劣，因此对原有模型做出了改善，变化底板加强筋的布置形式。通过相似工况的模拟,发目前力学性能提高的基本上，整体质量得以减轻，实现了轻量化的目的。核心词： 动力电池包 有限元法 静力分析 优化设计 trat： Ast oly pweurc f pure

2、 lcrcal vehicle,te wbattry pac ers the weigtofsevel mdelsschas the btteyodeT ensu thefety,he packs strength adstiffs must met the fundaental equiemet. Thipper ainy analyed ttrengh d stffes under dffrnt orki oditns nthbaseof a fiiteeeet model. The rsultshw thatand thecrronding stres d eormton rahsare

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4、tcral analysis opimal esin 引言小型纯电动汽车作为国内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、安全工作的核心作用。本文对国内某一微型纯电动汽车的电池包的构造进行静力分析，计算出不同行驶工况中构造受到外部载荷时的应力与应变状况，并对构造的强度、刚度进行校核,发现原有构造中存在局限性的地方，对其进行了相应地优化设计,使得电池包构造在使用性能提高的同步,自身的重量减少。1电池包构造分析1.1电池包构造有限元模型本文所研究的电池包是一种箱体构造，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

5、池包构造。为了减少模型前解决工作量,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，做出了如下的简化工作:如忽视某些尺寸较小的倒角、圆角、工艺孔等构造。1.2边界条件约束边界条件约束是构造有限元分析中的一种重要部分。约束的对的性决定着计算分析成果的精确性。由于电池包通过个螺栓与车身连接，因此对连接的部分施加固定约束。13材料属性电池箱底板需承受较大的载荷,因此选用D01型号的高强度冷轧钢板。材料参数见表1。表1. 材料参数 材料屈服强度(MP)抗拉强度(Pa)密度（gcm3)泊松比弹性模量D210270850.3020751.计算工况 由于此款电池包应用于微型纯电动汽车,其重要在都市路

6、面上行驶,因此对其在行驶过程中也许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弯曲工况分析 电池包满载静止工况重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构造应力分布及变形状况。在这种工况下，电池包重要受到的载荷是涉及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。 对构造施加的载荷由于电池包构造通过七个螺栓与车身相连接,因此电池包构造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品的质量。该电池包的整备质量为40kg,取重力加速度98N/m2。因此要对构造施加的载荷为=mg=14098137N。在有限元模型中

7、,将载荷施加在构造的重心上。 2.分析成果通过ANSY软件分析计算之后，得到了电池包构造的应力与应变云图，如图1.1。 图.1电池包满载弯曲工况应力云图 从图中的数据可以看出,构造中应力最大处的应力为875MPa,出目前吊耳和底部支撑加强筋的边沿,这重要是由于电池包尺寸较大,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5.775Pa仍远不不小于材料的屈服极限, 因此构造是安全的。 图.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.8823m,出目前承重底板的中心处。这样的变形量虽然不是很大,不影响构造的使用功能,但是尚有较大的优化空间。1制动工况分析

8、 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状况。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。而惯性力的大小则重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对构造施加的载荷 车辆的最大制动加速度可近似由如下关系式求得，即av22s,v为车辆的行驶速度,s为将制动踏板处在最大行程所得制动距离。测得最大制动加速度为0.8g7.84/s2。对电池包的重心施加载荷,载荷分为两部分,其一是电池包自身的重力F1=m=140*937N，其二则是作用在电池包上的惯性力F2=ma=400*9.8=10976N。2分析成果通过度析，得到车辆在满载时高

9、速制动工况下应力、应变分布云图。图13电池包满载制动工况应力云图图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.789mm,最大变形的位置仍然在底板的中心位置，最大应力值为8.5MPa,重要集中与底部支撑加强筋的边沿与x方向的两个吊耳上。为了得出吊耳具体的受力应变应力状况,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状况。对吊耳的上侧方形凸台面上受力的圆环面施加-方向,大小为F=20*9.=1N的力,同步在受制动惯性力的圆柱面上施加-X方向,大小为156.8的力。由于吊耳通过点焊方式与电池

10、包主体构造连接,因此对8个焊点连接处设立固定约束。图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3.Pa,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沿，由于外缘的材料较少因此应力会比较集中,但还是远远不不小于材料的屈服极限的，因此构造是安全的。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，因此在车辆高速转弯时,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下决定。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.对构造施加的载荷对于高速转弯工况,在电池

11、包上附加0.g的侧向加速度来模拟转弯工况下电池包构造所受的载荷。因此要施加的载荷为两部分,其一是电池包的自重F1=140*9.8=372N,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=40*0.5*9.8=68N。 2.分析成果图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0.79mm。因此在之后的构造改善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，因此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85.6Mp，还是不不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

12、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,引起构造发生变形的工况1。 .对构造施加的载荷在此工况下会发生的极限状况,就是车辆垂直方向载荷的变化，根据有关文献,此工况下可以达到的最大垂向加速度为1g,再加上电池包自身的重力加速度,因此要施加的载荷力F=mg=21409.=4N。 2.分析成果图.9 垂直极限工况构造应变云图图110垂直极限工况构造应力云图由上图可以看出,在2垂向载荷作用下电池包底部的变形是相称明显的,最大应变值达到了1.5765mm，最大应力值达到了11.55Ma。因此加强支承底板中心处的强度是非常必要的。4.3.扭转工况分析 当电动汽车行驶在凹凸不平的路面

13、上时,会发生某个车轮被抬高而另一种车轮悬空的状况。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，如果构造不能保证足够大的扭转刚度，那么电池包构造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，最后会发生电池组错位、电池溶液泄露、短路等危险现象3。 1.对构造施加的约束与载荷 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，设立两边的受力差值为1500，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

14、扭转刚度。 2分析成果图1.1扭转工况应变云图图.1宽为mm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目前受力一侧最大应变值为06355m,在50N的集中力作用下，这样的变形量还局限性以使得电池发生错位，因此,电池包构造具有足够的扭转刚度。而此时最大应力值为10.95MP，重要集中于电池包的宽为93m的吊耳上。2. 电池包构造优化设计2.1构造存在问题综述 综合前述对电池包构造的静力学分析,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沿应力都比较集中。 .电池包底部支承板的中心变形较大。2改善方案 1.针对上述第一种问题,重要因素是电池包的横向尺寸

15、比较大，达到100m,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，因此其边沿处的受力状况比较复杂,因此应力会比较集中。因此考虑将底部支承板加强筋改成与本来垂直的方向,并从本来的2条加强筋增长到3条。 2针对第二个问题,重要是由于加强筋之间的间距较大,对底板中部的支撑作用较小，因此在上述基本上,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长对底板的支承，从而减小底板的变形量。 对电池包的构造进行改造,其三维模型如下图所示，中间的加强筋通过电池包的中心点，两侧的加强筋距离中间的加强筋为21。 图2.1改善前后电池包模型示意图2.3优化模型验证将新模

16、型导入ANYS软件，分别对其施加上文所述的5种不同工况下的载荷,分析其应力与应变状况。得出改善前后构造的最大应力、应变值的变化状况，为了更加鲜明地进行对比,将成果制成如下条形图。图.2改善前后电池包模型各工况下应力状况对比条形图图.3改善前后电池包模型各工况下应变状况对比条形图 由对比图中可以清晰地看出,改善前后电池包构造的性能发生了较大的变化，在各工况下,改善后构造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长，其她工况下的减小量均达到了58%左右，可见改善的效果是相称明显的。同步，值得注意的是,所使用加强筋的总长度由mm减少到1836m，在截面形状不变的状况下，材料的使用

17、减少了164mm，减轻了整个电池包的重量，在性能提高的基本上实现了轻量化。.结论 本文在建立了某款纯电动汽车动力电池包有限元模型的基本上,对其在不同工况下进行了静力学分析，得到了相应地的应力应变状况。在总结了不同工况下电池包存在的共同问题之后，提出了对原有模型的优化设计方案,并在ANSY中对新模型施加五种相似工况下的相应载荷进行优化设计的验证,发现改善后模型的最大应力与应变值均有所下降,其中最大应力值降幅达到了5.7%，并且在保证使用性能的基本上减少了材料的使用。因此,电池包构造的优化设计是成功的。 参照文献1王力. 汽车车身附件支架CAE分析探讨 J上海汽车. 邓丽梅. 汽车车身有限元分析与研究 D.武汉:武汉理工大学，研究生学位论文，3 李东峰 小型纯电动汽车动力电池箱体设计.汽车工程，(5):234