鋁合金電池箱結構優化設計

湯貴庭

1.重慶廣播電視大學 重慶市 400052 2.重慶工商職業學院 重慶市 401520

1 引言

電動汽車的大力發展，換電式電動汽車以換電時間短、續駛里程長等優點廣受企業青睞。電池箱是盛裝電池的重要零部件之一，電池箱的設計既要滿足機械設計要求，也要滿足電氣設計要求。

因企業根據經驗設計生產，在電池箱材料厚度選擇上不是最優，在一定程度上造成了浪費。基于此，結合三維建模軟件對電池箱進行結構設計，利用有限元軟件對電池箱進行有限元分析非常有必要。

本文按照電池箱設計要求，對電池箱進行了結構設計和靜動態特性分析。以避開白車身振動頻率范圍和輕量化為目標進行了結構優化設計，采用二分法逼近試驗獲得電池箱的最優結構。

2 電池箱設計要求

電池箱的設計需要滿足不僅要滿足機械設計要求，還要滿足電氣設計要求。

（1）機械強度試驗要求。滿足臺架試驗、振動試驗、沖擊試驗及開模要求，提高電動汽車的整體匹配性能。在振動試驗機上進行振動試驗，振動試驗需要滿足在X軸、Y軸、Z軸的振動頻率范圍是10HZ-55HZ；最大加速度為30m/s2；掃頻次數為10次；掃頻頻率為10CT/min。試驗后無變形、無松動、無損壞。（2）碰撞安全要求。電池單體在電池箱內彼此接觸，不會發生滑移現象。通過電池固定帶對電池固定。發生碰撞時，電池不會甩出車外；過流裝置會迅速斷開，不會發生短路；受到擠壓變形時，電池內部物質不會流出。（3）通風、防水、絕緣、散熱要求。預留通風口，實現散熱。電池箱噴涂絕緣漆，對焊縫處涂密封膠，接插件自帶密封，實現防水性能。

3 電池箱結構設計及有限元模型建立

3.1 電池箱結構設計

電池箱包括電池箱本體、線纜組件、電池單體、連接器以及電池監測系統。考慮維修的便捷性、電池的互換性和通用性，本文所研究的電池箱設計為無蓋長方體，長寬高為725mm x 215mm x 280mm。沿長方體長的方向，兩端各放置兩塊電池單體，中間放置電池監測系統組件、連接器及線纜。

3.2 電池箱有限元模型建立

利用有限元軟件對電池箱進行靜動態分析，獲取復雜工況下電池箱受外力時的應力、應變、位移情況。基于分析結果，對結構進行強度、剛度評價，不合理參數進行變更和優化設計，通過力學評價及試驗校核，確定最終設計方案。

電池箱有限元分析目標：對車輛行駛時的急轉彎、急剎車、爬坡、涉水、劇烈顛簸振動等不同工況進行靜、動態分析和優化設計。達到結構最優的效果。

靜態分析；保證電池箱在承載沖擊、扭轉、彎曲等復雜工況時，不會發生塑性變形和開裂現象。

動態分析；包括固有特性分析和和響應分析，振型、頻率等相關模態參數組成了電池箱的固有特性，決定對動載荷響應。對模態分析，得到電池箱振型分布和固有頻率，是判斷電池箱是否會發生共振依據。

優化設計；設計時各個指標之間往往會相互矛盾，確定主要指標，要求電池箱滿足一個或多個主要指標要求，次要指標達到最佳。

利用有限元軟件進行前處理，得到電池箱有限元模型。

3.3 電池箱靜動態分析

3.3.1 剛度矩陣

電池箱結構單元的剛度矩陣由e=bu得到。e為單元的應變矩陣，u為單元結點的位移列陣。剛度矩陣與電池箱材料的彈性模量和泊松比有關。

3.3.2 有限元應力平衡方程

采用應力應變和單元應變位移關系，將二維單元的應力矩陣轉化為結點位移關系，基于位移場分布，滿足應力平衡方程。用直接法或迭代法求解器求解平衡方程。

3.3.3 電池箱靜態分析

靜態分析，采用RADIOSS計算，電池箱單元類型選擇四邊形和三角形的混合形式。電池箱分兩塊加工，通過單排布置點焊焊接。計算電池箱的位移、應力，進行強度校核，避免出現失效。

汽車零部件常用材料有普通鋼板、高強鋼、鋁合金，有各自不同特點。鋁合金因其密度只有鋼的1/3，在汽車零部件中應用較廣，如車身覆蓋件、輪轂、儀表架、行李箱罩、發動機罩大量使用鋁合金材料[1]。

熱傳導系數是衡量電池箱的熱傳導、散熱性能重要指標，熱傳導系數越高，熱傳導性能越好。就熱傳導系數而言，鐵為80W/mK，鋁為237W/mK。鋁合金除了具有良好的導熱和散熱性外，還具有機械加工性能好、適用于各種制造方法、耐腐蝕性好、回收重復利用率高等特點[2]。電池箱盛裝電池，電池消耗會散發大量熱量，本文選用5052-H32作為鋁合金電池箱材料。

材料為各向同性材料，彈性模量為7x104N/mm-2，泊松比為0.33，屈服強度為195N/mm-2，質量密度為2.68x10-9Kg·mm-3。經查閱資料，汽車行駛時主要受到扭轉、沖擊、縱向和側向載荷，取純電動汽車在車輛顛簸、急剎車、急拐彎路況下的最大加速度為垂直向上的2g、與行駛方向相反1g、向左0.4g[3]。

結合實際生產需求，保證成本最優和工藝合理性，選用所有部件厚度一致的電池箱，厚度為4mm。受顛簸工況是汽車運行時電池箱的極限工況，僅考慮車輛在此狀況下的受載荷情況。

每個電池箱內裝有四塊電池單體，每塊電池單體為22.5Kg，載荷大小為882N。取最大沖擊加速度為3g，依據電池箱受力節點數量來計算力的大小。電池箱節點為8503個，每個節點受力為0.3118N。

3.3.4 電池箱模態分析

模態分析分為低階模態和高階模態。低階模態反映電池箱的剛度等特征，通過模態結果，確定車身與電池箱共振頻率范圍，進行控制，避免共振。在電池箱動態分析時，低階模態對電池箱影響要高于高階模態，用低階模態反應固有振型和固有頻率[4]。

3.4 靜動態結果分析

利用有限元軟件對電池箱進行靜動態分析，電池箱應力云圖和一階模態云圖分析結果如圖1所示。電池箱的質量為4.25kg，最大應力為125.9MPA，一階模態為119.21HZ。

最大應力發生在電池箱的前后兩個側面，一階模態最大值發生在電池箱的底部。根據第四強度理論，其中強度條件為σr≤[σ]，[σ]為材料的許用應力。所使用的鋁合金為塑性材料，材料發生塑性變形會導致材料失效，用Von Mises等效應力來判斷電池箱結構強度。使用鋁合金材料屈服極限為290MPA，最大應力125.9MPA遠小于材料的屈服極限，電池箱結構設計有很大的優化設計空間。

圖1 電池箱應力云圖和一階模態云圖

4 電池箱結構優化設計

電池箱結構優化參數包括：目標函數、約束條件、設計變量。目標函數：f（x）=f（x1，x2，x3，x4，...，xn）；

約束條件：hi（x）∈（x0，x01），i=1，2，3，...，m。Gj（x）=0，j=1，2，3，...，mj。設計變量：xkL≤xk≤xk

U，k=1，2，3，...，n。采用局部逼近的數學迭代方法進行求解優化。

設計目標：改變一階模態頻率；減輕電池箱質量。

理論分析，應力值越小對電池箱越不容易發生變形，但實際生產過程中，需要綜合各方面因素考慮，電池箱應力滿足小于材料屈服強度，模態避開白車身共振頻率10~55HZ的范圍即可。

采用二分法進行逼近試驗，其他條件不變，材料厚度為1.75mm時進行試驗，得到應力為157.7MPA，模態為107.89HZ，應力值滿足要求，但還可以進一步逼近試驗，材料厚度為1.625mm，得到應力大小為177.9MPA時滿足材料性能要求，不會發生較大的屈服極限變形[5]。此時電池箱的靜動態分析結果如圖2所示。

由圖2可知，優化后的電池箱最大應力為177.9MPA，發生在電池箱中部通風散熱孔附近。優化后的電池箱最大位移為5.664mm，發生在電池箱底部中央位置。優化后的電池箱一階模態為102.34HZ，電池箱前后兩側振動較為劇烈。此時，電池箱的質量為3.453Kg，質量比優化前減輕18.75%。

圖2 電池箱結構優化后的靜動態分析結果

5 結語

（1）按照電池箱設計要求，建立了電池箱結構三維模型和有限元分析模型。（2）選取了彈性模量為7x104N/mm-2，泊松比為0.33，屈服強度為195N/mm-2，質量密度為2.68x10-9Kg·mm-3的5052-H32鋁合金作為電池箱材料，進行極限載荷狀況下的靜動態分析。（3）進一步研究，設計的電池箱有優化空間，對電池箱進行結構優化設計，優化后的電池箱厚度為1.625mm，此時電池箱的最大應力為177.9MPA，最大位移為5.664mm，一階模態為102.34HZ，質量為3.453Kg，質量減輕了18.75%。