某新能源動力電池框設計與仿真分析

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2025-06-12 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.08.015

Design and Simulation Analysis of Power Battery Frame for New Energy Vehicles

Sun YuhaiYi Xiaoli Dongfeng Automobile Co.，Ltd.，Wuhan 430o56，China

Abstract：Withtherapiddevelopmentofhydrogenenergytechnology，hydrogenfuellogisticsvehicles havebecomeaniportant researchdirectioninthefieldofnewenergyvehicles.Asakeycomponentofhydrogenfuellogisticsvehicles，thesafetyandreliability of powerbateriesarecrucial.Thispaperconducts structuraldesignandsimulationanalysisonthepowersupportofacertainhydrogen fuellogisticsvehicle.roughstatictrengthandandombrationsulation，thebateryframesupportmeetsteteoreticaldignre quirements and has certain engineering value.

Key words：Power batery frame bracket;Structural design;Finiteelement analysis;Random vibrationanalysis

1前言

氫燃料動力電池系統作為氫燃料物流車的核心儲能單元，兼具能量回收與動力輸出的雙重功能：既高效存儲氫燃料發動機產生的電能，又為驅動電機持續提供穩定動力。在新能源物流車的結構設計領域，傳統大梁框架下的雙側電池布置方案已成為主流選擇。該方案通過將動力電池布置于車架兩側的專用電池框支架中，這樣的布置在有效提高貨箱容積利用率的同時，對支架的承載防護性能提出了嚴苛要求。

電池框支架一方面要滿足靜力承載要求，另一方面也要滿足振動性能的要求。當前，商用車動力電池箱的標準化設計已逐步成熟[1]，為電池框支架的模塊化開發提供了技術基礎。標準化設計不僅大幅提升了零部件的通用化率與互換性，更通過規模化制造降低了成本，并通過設計驗證流程的規范化保障了產品品質。

本文聚焦一款適用于氫燃料物流車的標準化電池框支架，通過靜強度分析、模態特性研究及隨機振動仿真等多維度理論校核，系統驗證其設計可靠性。該研究方法有效縮短了開發周期，為同類產品的工程應用提供了理論依據與實踐參考。

2有限元模型建立

有限元模型的建立是分析電池系統力學性能的基礎。該動力電池系統由電池包殼體、電池框支架及內部模組等構成，其整車布置與幾何模型如圖1所示。在三維建模軟件中，首先對電池包及電池框支架模型進行合理簡化：鑒于本文主要關注電池框支架的力學性能，對電池包內部結構進行忽略處理，僅保留電池包殼體作為分析對象。

圖1整車布置示意圖

為精準模擬實際工況，截取與支架相連的一段車架大梁并納入模型。簡化后的幾何模型導入有限元分析軟件HyperMesh后，依次完成抽取、中面、幾何修復及拓撲清理等前處理操作，確保模型幾何特征與工程實際相符。隨后進行網格劃分：電池框支架由薄壁鋼板與矩形焊接而成，采用CQUAD4和CTRIA3殼單元（PSHELL）離散化，單元尺寸設置為 5mm 以提高局部應力分析精度；電池包殼體和車架大梁則采用 10mm 網格尺寸以平衡計算效率與精度。

焊點連接通過Rbe2單元及共節點技術模擬，以準確反映焊接區域的力學傳遞特性；電池質量效應則通過均布質量點至電池包殼單元節點實現，避免復雜建模同時保證慣性特性準確。電池包安裝支架與電池框安裝槽梁之間建立接觸約束，以模擬實際裝配中的相互作用。最終模型包含357572個單元和302340個節點，如圖2所示。

圖2有限元模型

在材料屬性定義方面，電池包殼體采用冷軋鋼板DC01，電池框支架的電池安裝槽梁、矩形管及支架主體均采用碳素結構鋼Q235B，車架則采用大梁鋼DL510，以上材料的彈性模量、泊松比及密度等屬性詳見表1。

表1材料性能參數表

3靜強度分析

結構靜力分析用于計算靜力載荷作用下結構的應力、應變，即不考慮結構的慣性和阻尼效應。靜力學分析的目的是確定動力電池框在典型工況下靜態載荷作用下應力應變的分布，用來檢驗初步設計的電池框是否合理[2]。同時作為輕量化設計的重要依據，該分析可有效驗證電池框支架在極端載荷條件下的安全性。根據文獻[3]及主機廠工程經驗，選取垂直顛簸工況、轉向工況和制動工況三種典型極限工況進行靜特性分析，各工況的載荷加載條件如表2所示。

表2典型工況載荷加載情況

施加約束條件，即固定車架兩端的6個自由度，模擬實際安裝狀態。依據表2定義的載荷條件，分別建立對應的工況模型，并提交至OptiStruct求解器進行計算。后處理階段，將計算結果導入HyperView生成應力云圖，三種極限工況下的應力和分布如圖3～圖5所示。

通過應力云圖可直觀識別各工況下的高應力區域及最大應力值，為結構優化設計提供數據支撐。

圖3垂直顛簸工況應力云圖

圖4轉向工況應力云圖

圖5制動工況應力云圖

根據應力云圖的分析結果，在垂直顛簸工況下，電池框支架最大應力為 72.5MPa 。在轉向工況下，電池框支架最大應力為 36.2MPa 。在制動工況下，電池框支架最大應力為 31.7MPa O

在上述三種極限工況下，最大應力集中點均出現在電池框支架與車架連接的安裝孔周邊區域，最大應力遠遠小于材料的屈服強度，其安全系數均大于2.0，滿足靜態承載強度設計要求。

4模態分析

模態分析，也稱為振型分析，旨在揭示電池框的模態頻率及其對應的振型，從而識別結構的共振區域，找出剛度不足或相對薄弱的部分，為結構優化提供依據，直至獲得合理的模態振型[3]。本文采用Radioss求解器中的Lanczos算法對電池框結構進行模態求解，該方法的優點在于對特征頻譜的高頻部分收斂速度快，而對低頻部分則需要較多的迭代次數，因此能夠有效地搜尋系統在給定范圍內的固有頻率[2]。在電池框的結構模態分析中，由于低頻振動通常比高頻振動更具危險性，且前幾階的振動特性對電池箱整體結構的振動影響較大，因此使用BlockLanczos方法提取電池包的前6階模態。電池框的模態計算結果詳見表3，而模態振型則如圖6～圖11所示。

表3典型工況載加載情況

圖6第1階模態陣型

圖7第2階模態陣型

圖8第3階模態陣型

對電池框進行模態分析的目的就是得到其模態頻率及其陣型，使其固有模態頻率應避開電動汽車的激振頻率。電池汽車的激振主要來源于驅動電機的振動，到路面不平度引起的激振頻率，電動汽車的主要激振頻率在 30Hz 以下[2]。根據分析結果可知，電池框的第一階模態固有頻率為 35.4Hz ，有效避開了電動車的激振頻率范圍，滿足設計要求。

圖9第4階模態陣型

圖10第5階模態陣型

5隨機振動分析

隨機振動分析旨在確定結構在特定頻域內的響應，通過這種響應可以評估結構發生破壞的概率，且該概率值遵循正態分布。本文將采用Steinberg提出的三區間法來預測疲勞壽命，依據最大 3σ 應力值與材料自身屈服強度來判斷電池框結構是否滿足隨機振動要求[4]。

依據GB38031一2020的標準，對電池框支架進行隨機振動仿真分析。首先，對電池框系統進行單軸加速度載荷下的頻率響應分析，以獲取系統的傳遞函數。隨后，將傳遞函數與隨機振動載荷的功率譜密度相乘，從而得到應力的功率譜密度。加速度功率譜密度曲線如圖12所示，其中PSD掃頻區間為 5～200Hz，Z，Y 和 X 方向的加速度均方根RMS 值分別為 和 0.52g^[5] 。

圖12除 M₁.N₁ 的車輛加速度功率譜密度

本文對電池系統進行了隨機振動仿真分析，以功率譜密度（PSD）作為隨機振動下的激勵譜，利用Hyper-Works軟件中的OptiStruct模塊開展了分析計算，仿真分析結果如圖13～圖16所示。為了深入探究電池包固定槽梁的變形情況，我們特意選取了固定槽鋼中間位置的節點，并提取了該節點在 Z 方向上的位移PSD曲線，如圖16所示。

圖13Z向隨機振動應力云圖

圖15 X 向隨機振動應力云圖

根據隨機振動應力云圖的分析結果， Z 向 1σ 應力為 62.6MPa ， 3σ 應力為 187.8MPa Y 向 1σ 應力為57.5MPa ， 3σ 應力為 向 1σ 應力為43.9MPa ， 3σ 應力為 131.7MPa 。觀察發現， Z 向與 Y 向的最大應力集中在支架與車架連接的安裝孔附近，這一位置與靜態分析中的垂直顛簸工況和轉向工況所顯示的高應力區域相吻合。而 X 向的最大應力則出現在電池安裝槽梁位置。依據三區間法評估，三個方向上的隨機振動 3σ 應力值均低于材料的屈服極限，這意味著該電池框支架在 95.7% 的時間內，其應力值均未超過Q235B材料 235MPa 的屈服強度。此外，從電池包固定點位移PSD曲線可以看出，在低頻段位移幅值相對較大，但仍在電池包設計要求的可接受范圍內。綜上所述，通過隨機振動分析，確認該電池框支架滿足設計要求。

圖16電池包固定點 z 向位移PSD曲線

6結語

本文針對氫燃料物流車的標準化電池框支架設計，采用有限元方法系統開展了靜強度分析、模態特性研究及隨機振動仿真。研究結果顯示：在垂直顛簸、轉向及制動等典型工況下，電池框支架的應力響應均低于材料屈服極限，安全裕度充足，展現出良好的靜力學可靠性；模態分析表明，電池框支架前幾階固有頻率與電動車激振頻率形成有效錯頻，規避了共振風險；進一步通過 X， Y，Z 三方向的隨機振動仿真驗證，其 3σ 應力值嚴格控制在材料疲勞極限以內，滿足嚴苛的耐久性設計要求。該研究不僅為電池框支架的工程化應用提供了理論依據，也為后續輕量化優化及試驗驗證指明了方向，兼具技術創新價值與工程實踐意義。

參考文獻：

[1]QC/T840—2010電動汽車用動力蓄電池產品規格尺寸[S].

[2]姜高松.某純電動汽車電池箱結構設計分析及優化[D].長沙：湖南大學，2016.

[3]王露.電動汽車動力電池箱結構穩健優化設計[D].北京：北京理工大學，2016.

[4]王文偉，程雨婷，姜衛遠，等.電動汽車電池箱結構隨機振動疲勞分析[J].汽車工程學報，2016，6（1）：10-14.

[5]GB38031—2020電動汽車用動力蓄電池安全要求[S].

作者簡介：孫玉海，男，1988年生，工程師，研究方向為底盤設計。