鋁合金電池包下殼體的設計與分析

金 鑫 李 斌 王東輝 周丹桐 王 歡

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111003

1 設計背景

近年來,隨著汽車工業的迅猛發展及人們生活水平的顯著提高,汽車保有量急劇增加,對能源的依存度也越來越高,節能和環保已經成為世界各行業,尤其是汽車工業目前發展所面臨的兩大難題。新能源汽車因其節能環保的特點得到人們的關注,并逐漸被大眾所認可,其產業迅猛發展,已成為不可逆的趨勢。

電池作為新能源汽車的核心部件之一,有著舉足輕重的作用,其安全性尤為重要。電池的安全可靠性與自身的強度、抗沖擊性能有關,車輛行駛時,如果電池的結構件因強度不足發生斷裂,可能會造成其內部發生短路,從而引起爆炸。

電池包作為電池的主要載體,在車身中不僅起到裝載電池的作用,同時保護電池在受外力撞擊時不會受到損傷,其結構的設計要求應該滿足多變的運行環境和行駛工況下的工作安全性和可靠性。所以,研發出具有高安全因數的電池包是新能源汽車的一個重要目標。

2 方案設計

2.1 材料屬性

筆者設計的電池包下殼體材料選用6063-T6鋁合金,其密度為2.7 g/cm3,合金成分及屬性分別見表1、表2。所設計的鋁合金電池包下殼體具有質量輕、開發周期短、使用壽命長、易加工成型、耐腐蝕、耐沖擊等特點。

表1 6063-T6合金成分

表2 6063-T6材料屬性

2.2 整體結構設計

電池包下殼體主要由左右邊梁、前后邊梁、中間隔板、底板四部分組成,輪廓尺寸為842 mm×636 mm×140 mm,質量為16 kg,結構如圖1所示。其中,中間隔板的設計主要用于分隔模組,便于電池包蓋板的安裝,以及起到增大冷卻面積、提升冷卻強度的作用。

圖1 電池包下殼體結構

底板為對接結構,采用攪拌摩擦焊雙面焊接,接頭位置的寬度不小于軸肩寬度。邊梁與邊梁、邊梁與底板、中間隔板與底板均采用激光焊接工藝,優點是焊接變形小,連接強度高,密封性好,能充分保證電池包符合IP67標準的密封要求。

2.3 型材斷面設計

筆者設計的電池包下殼體型材斷面數為四個,如圖2所示。其中,前后邊梁采用相同的斷面型材,左右邊梁采用相同的斷面型材,三塊底板及兩個中間隔板采用相同的斷面型材,可以有效減少模具的投入,節省開發費用,縮短開發周期。此外,電池包下殼體采用集成液冷方式進行冷卻,邊梁及底板可以作為冷卻通道。設計時采用多腔型材,既可以對電池包整體進行減重,又可以增大冷卻面積,提高冷卻強度。

圖2 電池包下殼體型材斷面

3 仿真分析

電池包的機械安全性能主要包括承載,抗底部球擊、跌落、機械沖擊等。筆者以所設計的鋁合金電池包下殼體為研究對象,依據GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》,結合實際服役過程中的高發工況,利用仿真軟件進行承載能力與擠壓仿真分析。

3.1 有限元模型

(1) 簡化結構。對電池包下殼體進行幾何簡化,將倒角、圓角、細微孔等對仿真模擬分析結果影響不大的加工特征去除。

(2) 劃分網格。根據電池包下殼體的結構特點,對簡化后的模型采用Hypermesh軟件進行抽中面、修補中面、分割面、劃分網格處理。選用殼單元建立有限元模型。采用剛性單元RBE2對焊點進行模擬。建立的電池包有限元模型網格尺寸為8 mm,共有63 775個單元,其中四邊形單元63 200個,占總數的99%。

3.2 承載工況

電池包下殼體在200 kg質量下沿重力方向施加3×9.8 m/s2加速度沖擊載荷,以驗證承載能力。

電池包下殼體的位移云圖如圖3所示,最大位移為0.22 mm。根據仿真結果,得到電池包下殼體左右邊梁受到的應力最大,如圖4所示。應力最大值為15.08 MPa,遠遠小于材料的屈服強度,滿足承載要求。

圖3 承載工況位移云圖

圖4 承載工況左右邊梁應力分布

3.3 擠壓工況

使用半徑為75 mm的半圓柱體,圓柱體長度大于測試對象高度,但不超過1 m,分別沿汽車水平行駛方向X軸、垂直行駛方向Y軸對電池包下殼體進行擠壓,即進行橫向擠壓與縱向擠壓。擠壓力達到100 kN時或者變形量達到擠壓整體尺寸的30%時,停止擠壓。

試驗中,對擠壓圓柱體位移進行限制,當圓柱體位移量超過擠壓方向整體尺寸的30%時,停止擠壓。此時,擠壓力如果未達到100 kN,那么判定試驗不滿足要求。

橫向擠壓變形仿真結果如圖5所示,擠壓力位移曲線如圖6所示。在整個擠壓過程中,擠壓力都達不到100 kN,擠壓力第一峰值為79.3 kN,因此不滿足大于100 kN的標準要求。

圖5 橫向擠壓變形仿真結果

圖6 橫向擠壓擠壓力位移曲線

縱向擠壓變形仿真結果如圖7所示,擠壓力位移曲線如圖8所示。在整個擠壓過程中,擠壓力在位移為26.75 mm時達到100 kN,滿足大于100 kN的標準要求。

圖7 縱向擠壓變形仿真結果

圖8 縱向擠壓擠壓力位移曲線

4 結構優化

根據仿真結果,縱向擠壓工況滿足標準要求,橫向擠壓工況未達到標準要求。對比分析得知,電池包下殼體在橫向,下殼體僅依靠左右邊梁的自身強度來抵抗橫向擠壓力,因此無法滿足標準要求。筆者依據此情況,對現有設計進行優化,如圖9所示。

圖9 電池包下殼體結構優化

在電池包下殼體內部增加中間橫向隔板,總計六處,隔板采用多腔斷面6063鋁合金型材,在滿足強度的同時,可以減小電池包的整體質量。新增型材斷面如圖10所示。電池包下殼體整體尺寸仍為842 mm×636 mm×140 mm,質量增大至22.441 kg。

圖10 新增型材斷面

5 橫向擠壓分析

在第一中心點位置,電池包下殼體在擠壓過程中的變形如圖11所示,擠壓力位移曲線如圖12所示。在整個擠壓過程中,擠壓力在電池包下殼體位移為25.76 mm時達到100 kN,滿足標準要求。

圖11 結構優化后第一中心點變形

圖12 結構優化后第一中心點擠壓力位移曲線

在第二中心點位置,電池包下殼體在擠壓過程中的變形如圖13所示,擠壓力位移曲線如圖14所示。在整個擠壓過程中,擠壓力在電池包下殼體位移為4.52 mm時達到100 kN,滿足標準要求。

圖13 結構優化后第二中心點變形

圖14 結構優化后第二中心點擠壓力位移曲線

通過仿真分析可知,結構優化后可以滿足橫向擠壓工況下電池包下殼體的強度大于100 kN的標準要求。

6 結束語

筆者根據鋁合金材料質量輕、易加工成型、耐腐蝕、耐沖擊等特點,設計開發了一款鋁合金電池包下殼體。采用6063鋁合金空腔擠壓型材,有效減小了電池包的整體質量,達到輕量化的效果,間接提高了新能源汽車的續航里程。

鋁合金電池包下殼體經過結構優化,增加了中間橫向隔板。經過仿真模擬分析,最終滿足了標準要求和使用條件。