新能源汽車動力電池包的改進設計與仿真研究

薛 濤

（棗莊科技職業學院，山東 滕州 277500）

0 引言

隨著全球環保意識的增強和能源危機的日益嚴重，新能源汽車已經成為未來汽車發展的重要方向。其中，電動汽車作為一種綠色、高效、環保的交通工具[1-3]，已經成為新能源汽車領域的重要研究方向。而電池包作為電動汽車的核心組件之一，其性能對電動汽車的續航里程、動力性能、安全性等方面都具有重要影響[4-7]。目前，電池包在使用過程中存在著一些問題，例如能量密度不高、充放電速度慢、壽命短、安全性差等。這些問題制約了電動汽車的發展和推廣，也成為新能源汽車領域的研究熱點。因此，如何改進電池包的設計，提高其性能已經成為新能源汽車領域的一個重要課題[8-11]。本研究探討新能源汽車電池包的改進設計，探討如何提高電池包的能量密度、充放電速度、壽命和安全性。這對于推動電動汽車技術的發展，促進新能源汽車的普及和推廣，進一步促進環保事業的發展和能源結構的調整具有重要意義。

1 動力電池包結構設計基本要求

本課題設計的對象是一款純電動汽車，其整車設計要求包括越野車型、四輪分布式驅動功能、輪轂驅動單元采用電機加輪邊減速機形式、最高速度為120 km/h、最大續駛里程為240 km、單電機額定功率為20 kW、乘員數為5 人、鋰電池電池容量為36.5 kW·h、功率密度不小于200 W/kg、長寬高為4585 mm ×1855 mm × 1679 mm、軸距為2660 mm、最小轉彎半徑為5500 mm，相關參數見表1。

表1 整車設計相關參數

為了避免電池包外形尺寸和質量過大以及內部布線復雜等問題，本設計采用多個模組級電池箱的設計方案。采用5 個模組級電池箱的設計方案，每個電池箱由15 組電池塊組成，每個電池塊由50 個單體電池并行排列串聯組成，從而實現電池模組級的標稱電壓為54 V，電池容量為135 A·h，可以降低電池包的成本和復雜度，方便加工和維修，能夠滿足電動汽車的使用需求。電池包的基本框架如圖1 所示。

圖1 電池包的基本框架

2 動力電池包結構設計

2.1 電池模組結構改進設計

在動力電池包框架設計中，共由5 個相同規格的電池箱再次并聯形成最終的電池包體，其中每5 塊電池塊通過固定支架串聯在一起，形成一個電池模組，得到的3 組電池模組螺栓連接固定在電池箱體底部，包括電子線束連接、冷卻水路連接、BMS 電池管理系統以及各大輸出接口構成電池箱，其結構如圖2所示。

圖2 動力電池包模組箱結構圖

2.2 電池包結構改進設計

在電池包上蓋的設計上，可以采用2 mm 厚的沖壓鈑金件，表面沖壓橫豎凹槽以提高其振動固有頻率。在電池包下殼體的設計上，可以采用3 mm 厚度的鋼板通過沖壓成型，內部焊接加強筋板，提供各組件固定安裝位置，同時增強整個電池包的強度與耐振性。

為了降低電池包的重量，可以采用輕量化材料制造托架，可以進一步優化吊耳連接處的加強肋板和三角形加強肋板的設計，提高結構強度，同時降低材料的使用量。可以考慮將托架分成多個模塊，方便維護和更換，完成螺栓緊固方式連接后，使得整個底盤構成一個平整的整體，進一步增加車身車轎結構的承載能力。所設計的動力電池包結構模型總覽圖見圖3。

圖3 電池包的改進結構

3 動力電池包性能有限元分析

3.1 模型建立與分析手段

采用CATIA 三維軟件對動力電池包進行建模，對其做出相應的簡化。在簡化模型的時候，應該忽略的結構有：（1）尺寸規格很小的倒圓角、凹陷、孔洞以及螺紋特征，在劃分網格時對其網格大小分配困難，增加網格劃分數量和求解工作量；（2）結構中微型階梯式設計、小角度凸出、彎折等劃分成一個平面上，盡量簡便網格劃分，使得組成更為整齊。

3.2 電池包結構強度分析

將簡化后的電池模組箱體CATIA 模型另存為Stp 格式，打開Ansys Workbench 的Static Structural模塊，在Geometry 中導入模型文件，材料選擇系統默認的結構鋼。進入進行網格劃分，節點個數為25825，網格數目為12728。添加邊界條件，限制固定腳支架的定位孔的六個方向自由度。施加載荷，電池模組箱體頂部施加2 mg 載荷，方向指向z軸負方向；后部向前施加1 mg 載荷，方向指向x軸負方向。添加應力分布和位移分布。點擊Slove 完成求解，結果如圖4 所示。

圖4 動力電池包強度分析

分析圖4 可以看出，下箱體頂部的最大變形量為0.41 mm，最大的應力則分布與箱體邊緣為14.14 MPa，遠小于材料的需用應力，強度基本符合要求。

3.3 動力電池包模態分析

對動力電池包進行模態分析，各階振型以及振動頻率如圖5 所示。在設計結構時，應該使結構的固有頻率遠離結構工作時的頻率，或者不在某階頻率的半功率帶寬內。通過有限元模態分析可獲得結構的固有頻率以及對應的振型。這樣優化結構提高一階的共振頻率或者強化危險的截面，具有一定的參考意義。

圖5 各階振型以及振動頻率

3.4 動力電池包碰撞性能分析

在Ansys Workbench 平臺建立側面碰撞情景模型。根據電池包的安裝位置，在原本外形尺寸條件下等比例建模，電池包的一邊設置側面防撞梁等效結構，模擬其保護電池包的功能，根據最新的側碰檢驗標準，等效撞擊體的撞擊速度設定為50 km/h，分析結果如圖6 所示。模擬側面碰撞情形下，簡化的電池包以及車身側部防撞結構在受到強烈的沖擊力下，電池包整體會發生劇烈的晃動，電池包箱體會發生不同程度的彈性變形，并未出現明顯的塑性變形以及破損現象，可以看出強度基本符合要求。

圖6 側面碰撞情形

4 結語

基于汽車整體參數設計要求，對純電動汽車動力電池包的結構進行設計，確定了電池50 并75 串的基本框架建立；對動力電池包的結構進行改進設計，進一步完成電池包整個結構的CATIA 三維建模工作；對所設計的電池包進行結構強度分析，分析典型組合工況下動力電池包的結構強度，同時進行電池包的自由模態強度分析。結合安裝位置和結構設計特點，模擬純電動汽車側面碰撞情景，對電池包進行模擬側面碰撞分析。