纯电动汽车的动力电池包结构设计及优化

1.1原设计存在的问题

某款车型的原电池包结构设计方案如图1所示，主要部件包括顶盖、下盖、吊耳和内部加强筋结构。其中顶盖和下盖以及电池包整体与车体底盘使用螺栓连接方式锁固，而加强筋结构与吊耳部分皆通过焊接方式固定在电池包下盖的内外两侧。电池包结构件均采用高强钢冲压成形，箱体空载总重63.23kg。

根据原结构设计，结合相关试验数据得出此设计存在的问题如下：原方案下盖由高强钢板一次冲压剪裁成形，当车辆发生侧碰或电池包遇到跌落等事故时，无法有效保护包内电池模组的安全；电池包吊耳部分虽然通过板件的多次弯折增强了局部刚度，但是单层Z形钢材的抗弯性能不高，在车辆的颠簸等垂向冲击工况下，存在连接失效的风险；原设计通过空气对流的自然散热方式，电池包散热量不足且电池模组温升不均匀。可见原电池包的设计方案有缺陷，需要从电池包的安全和功能性出发,进一步优化设计以改善结构、连接和散热等问题。

图1原电池包结构

1.2优化设计方案

本文重新设计相关结构后将原一体式下盖拆分为边框和底板两部分，如图2所示。动力电池包的边框件主要负责电池单元的侧向防护，避免车辆在侧碰事故中受侧向侵入造成电池穿刺和损伤，从而导致起燃和爆炸等危险和二次事故。基于成本、制造难度和相关研究数据，新边框设计选用侧向刚度、抗弯性能和抗撞性能较高的三角形镂空矩形管为设计单元。电池包连接件在静态和颠簸等动态工况中承受结构整体的垂向加载和冲击，因此吊耳部分选用抗弯性能较好的日字形截面，通过3层水平结构共同承载的方式分摊垂向刚度需求，避免连接失效而造成的电池包跌落等风险。

图2新电池包边框及吊耳设计

与原一体式单层结构不同，新电池包的底板由7块设计单元拼焊而成，如图3所示。考虑到老款风冷设计导致的电池模组散热缺陷，本文选用两进两出串联式液冷为电池包热管理模式。受箱体内布置空间限制，将流道设计于底板内部，流道主体分为两个一进一出的C形独立区域。进出口流道宽度比设置为2:3，提高进水口处的冷却液流速，同时增大出水口处流道的换热面积，以提升电池包整体的换热效率和均匀性。

图3新电池包底板结构

从结构的承载能力出发，底板内部掏空的流道设计一方面通过结构的空腔效应增强了电池包的动态性能，当电池包发生跌落意外时，空腔结构的抗压性能和大应力变形吸能效应可以保护电池抵抗外部冲击。另一方面也削弱了底板位置的静态性能,伴随着流道内有效材料厚度的减薄，其刚度也随之下降。针对上述缺陷，将流道左右两侧的隔板设计为裙式截面结构来提高底板的水平弯曲刚度。

改进设计后，最终得到的设计方案如图4所示。新款电池包材料选用导热性能较好的轻质6系铝合金，通过模块化设计方法，将箱体的结构件分割为多组设计单元。针对铝合金材料，选用搅拌摩擦焊完成各单元的拼焊，此连接方式有效保留了焊缝位置80%的材料性能，避免了局部应力集中导致的失效。新结构保留了原设计的连接定位关系，使其质量下降为44.93kg，完成整体28.9%的轻量化设计。

图4新电池包结构

2.1电池包有限元模型的建立

依据相关建模标准，在有限元仿真软件Hy-perMesh中建立有限元模型，如图5所示。整体采用四边形壳单元划分；考虑到电池包内部整体载荷较小，不足以导致焊点连接失效的发生，通过合并单元和6自由度全约束刚性连接RIGID模拟部件间的连接。得到82026个单元和79793个节点的电池包模型，材料选用6061高强度铝合金。

图5电池包CAE模型

2.2静力学仿真分析

电动汽车在实际行驶过程中经历的路面状况通常非常复杂，想要精确模拟汽车在路面行驶过程中的受载情况是不符合实际的。电池包在随电动汽车行驶过程中所受载荷源自于汽车制动、转弯和颠簸等状况下电池包内部电池模组晃动对周围结构所产生的较大惯性冲击力以及汽车在凹凸不平的路况下因不同侧轮胎悬空或被抬高而产生的扭转作用力。所以在研究电池包静态性能时，为凸显电池包的应力分布与位移变化，应选取几种较为典型的极端工况进行分析。结合电动汽车NVH试验和车辆行驶工况仿真经验，本文选用颠簸路面下的急刹车、急转弯和凹凸路面上的扭转3种工况进行研究，具体加载情况如表1所示。由于仅考虑结构的静态特性,分析时适当忽略包内电池模组的动力学响应特征,将3种工况下模组对周围件的加载直接建立在简化模型中，如图6所示。

表1 3种工况下的加载

图6电池包典型加载示意图

经CAE仿真分析，获得电池包的静力学分析结果，如表2所示。不难看出，3种极端工况下电池包的最大应力仅为22.53MPa，远小于6061高强度铝合金的屈服极限141MPa，最大位移为0.611mm，也小于各密封件间的相对位移精度要求。从后期生产制造的成本角度出发，为避免新电池包刚度和强度上的过设计因素，引入拓扑优化设计完成对结构的减材处理。

表2电池包静力学分析结果

结合铝合金板件加工的工艺要求，将优化后各板件的厚度尺寸圆整为：边框板厚X1取2.2mm、盖板厚X2取1.0mm、吊耳板厚X3取2.8mm以及4号加强筋板厚度X4取1.8mm。验证分析结果如图11所示，由图可知，优化后的结构最大应力小于45MPa,且最大位移小于1mm,电池包最大应力较优化前有所提高，但也仅为42.11MPa,远小于A16061高强度铝合金的屈服极限141MPa,最大增大至0.834mm,符合电池包密封件的间隙要求。

图11验证分析结果

优化前后电池包各项性能对比如表6所示，优化后电池包整体质量下降至39.41kg,相较优化前减少了5.52kg,减重12.3%,在保证电池包良好性能的前提下，达成了轻量化设计目标。

表6电池包优化前后性能对比

新款电池包在车上的实际应用效果如图12所示。在后续试验中发现，优化后的电池包在实际生产中由于焊接等工艺因素的影响，导致整体减重比减小为10.9%,整车的续航里程从原180公里提升至200公里，且箱体结构性能良好。

图12新电池包实际装车效果

从上述实验得知，温度对电池包内部的影响是不能忽视的！为了减少重量及成本, 配件对材料减薄及实际保温隔热有持续的需求，然而这对于材料的可靠性甚至换热性能都会带来新的挑战，未来也将通过保温材料优化解决。

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• 优异的电绝缘性（介电强度）

• 隔热保温（导热系数仅为0.03W/m.k）

(1)通过分析电池包在纯电动汽车行驶中的实际加载情况，选取3种极端工况建立近似仿真模型,提高了后续静力学分析和优化结果的可靠性。

(2)为避免结构性能和质量等多目标在优化设计中的失衡，采用全新设计-局部拓扑优化-全局尺寸优化的设计与优化顺序，以整体-局部-整体的设计思路，综合优化了电池包结构。

(3)根据结构在Isight中试验优化结果的单级与多极化的分布特征将结构件分类，并引入载荷比概念，分别论证了不同设计件在尺寸优化设计中的参数优化取值规律。

优化后电池包减重12.3%，结构最大应力小于45MPa，且最大位移小于1mm。经试验验证,新电池包结构具有良好的安全与经济性能，相较老款结构，整车续航里程由180公里提升至200公里。