新材料与工艺手册

纯电动汽车动力电池包结构轻量化设计

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发表于 2019-12-30 09:17:49 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】【摘要】为实现某纯电动汽车动力电池包的轻量化设计,结合电池包各结构件的功能属性与结构特征,通过更换铝合金材料以及形貌、拓扑、尺寸优化等CAE 仿真方法对电池包中的不同结构件进行优化,使电池包在保持良好静态性能的条件下,整体质量减轻6.2%,且动态性能得到明显改善。对优化后的电池包实体进行安全性能测试,结果表明,电池包各项安全性能指标均满足国家标准要求,优化设计方案具有可行性。

1 前言

动力电池是电动汽车产业的核心技术之一,直接影响着电动汽车的续航能力与安全性能[1]。当前,动力电池技术仍不成熟,存在着电压平台低、能量密度小以及安全性能差等缺陷。为了满足纯电动汽车的要求,需要成倍增加电池包的体积,致使纯电动汽车的整车质量比同级别燃油汽车高10%~20%,极大地影响了电动汽车的续航能力与整车动力性能[2]。此外,电池包作为动力电池的主要载体,在维护电池安全和防止外界干扰等方面起到关键性作用。

国内外研究人员对电池包的轻量化设计进行了大量的研究与探索。新加坡学者Sunarto Kaleg 等人采用5052-0 系列铝合金作为电池箱体材料,并以最佳材料厚度为基础进行优化设计,得到了最优质量的电池箱体[3]。美国镁业公司的Neale R.Neelameggham 采用压铸镁作为电池壳体材料,有效减轻了电池箱的自身质量并极大改善了电池组的散热性能[4]。北京理工大学王露基于电池箱的稳健性对箱体进行拓扑优化设计,使得优化后的电池箱低阶模态频率提高40%,质量减轻10%[5]。上汽集团的张晓红等人和上海工程技术大学的汪佳弄均将碳纤维运用到电池箱体上,通过合理的铺层设计和仿真验证,使电池箱在承载性能不变的前提下极大地减轻了自身质量[6-7]。

本文结合某纯电动汽车电池包各结构件的结构特性与功能属性,通过拓扑优化、形貌优化与更换材料等方法对电池包内不同结构件进行优化设计,使电池包在保持良好的整体静、动态性能的前提下得到充分优化。同时,对优化后的电池包实体按照国家标准进行安全性能测试,进一步验证方案的可行性。

2 电池包静动态性能分析2.1 有限元模型建立

某纯电动汽车动力电池包如图1 所示,由箱体、热管理系统、电气系统、监测系统等组成[8]。在建立有限元模型时,需对模型进行简化,删除电线、继电器等非结构件,仅保留电池包顶盖、下盖、电池罩盖等结构支撑件,如图2所示。

图1 动力电池包实物

图2 动力电池包简化几何模型

根据整车有限元建模标准[9-10],在HyperMesh 前处理软件中对电池包几何简化模型进行网格划分,得到有限元模型如图3所示。

图3 动力电池包有限元模型

2.2 静力学分析

电池包在随电动汽车行驶过程中所受到的载荷不直接来自于外界,主要源于其内部电池组因晃动而产生的惯性冲击力。本文结合项目试验得出的数据,选取3种较为典型的极端工况进行受载研究,工况如表1 所示,其中,重力加速度取g=9.8 m/s2。

表1 电池包在各极端工况下的受载情况

根据动力电池包各结构件的分布可知,电池组晃动所产生的惯性冲击力主要作用在电池包内的电池罩盖与电池托盘上。为了进一步准确模拟电池包的受载情况,本文结合相关研究方法[11],将各工况下电池组产生的惯性冲击力均匀地等效加载至电池罩盖与电池托盘模型的内侧节点上,如图4所示。

图4 动力电池包各工况下载荷的等效分布力

经CAE 仿真软件分析后,得出动力电池包各结构件在不同工况下的静态性能。本文提取出电池包结构的最大应力与最大变形量进行研究,如表2所示。

表2 电池包各工况下最大应力与最大变形量

电池包各结构件材料均为钢材。其中,吊耳采用的是屈服强度为420 MPa的高强度钢,其他结构件采用屈服强度为210 MPa 的普通钢板。由分析结果不难看出,电池包结构在各工况作用下产生的最大应力远小于各结构件的材料屈服强度。同时,最大变形量皆不足1 mm,完全处于电池包结构件之间的安全距离范围内。由此,电池包部分结构件的设计过于保守,应对其进行进一步的优化设计。

2.3 模态分析

对于与其他物体结构存在连接关系的研究对象而言,约束模态能更加真实地反映其动态性能。因此,依据电池包与车身之间的螺栓连接关系,本文对含有约束条件的电池包模型进行模态分析,并且以电池包吊耳孔6 个自由度全部约束的形式来模拟螺栓连接,如图5所示。

图5 电池包与车身螺栓连接模拟示意

利用CAE仿真软件对电池包进行约束模态分析,提取工程中较为普遍的前6阶模态分析结果,如表3所示。

表3 动力电池包前6阶模态频率与振型

电动汽车在各种路面上的激振频率一般在5~30 Hz范围内,当汽车以不高于100 km/h的速度行驶在平坦路面上时,其激振频率不超过22 Hz[12]。根据模态分析结果,电池包1 阶模态十分接近电动汽车的激振频率,即使不产生共振也会有较大幅度的振动。因此,为了保持电池包在汽车行驶过程中的平稳性,应提高其1阶模态的固有频率以改善电池包整体的动态性能。

3 电池包箱体优化设计3.1 更换轻质材料

与电池包的其他结构件不同,顶盖仅以螺栓连接的方式与下盖相互固定,主要起到防止外界杂物进入以及维持电池包整体刚度的作用。且汽车行驶过程中,电池包顶盖始终不受电池包内部组件冲击与外界载荷的影响。因此,可将电池包顶盖的材料更换为屈服强度较低的轻质材料。

对比各轻质材料的性能指标,本文采用成形性能好、成本低,且在车身领域技术更成熟的Al-S-6000 铝合金作为顶盖的替代材料,其参数如表4所示。

表4 Al-S-6000型铝合金材料特性参数

3.2 拓扑优化

电池包加强横梁是电池包中较为重要的结构件,其作用为支撑电池罩盖和维持电池包整体刚度与强度。在电池罩盖与下盖受到电池组冲击时,加强横梁随之产生的应力和变形主要出现在梁的上端面,而侧端部位几乎没有变形。同时,加强横梁的几何特征与加工工艺最为简单。在对电池包进行轻量化设计时,可对加强横梁的侧端进行拓扑优化,进行挖孔处理。

以加强横梁的最小质量作为目标函数,在Optistruct优化软件中对加强横梁端面进行优化计算,拓扑优化结果如图6所示。

图6 加强横梁拓扑优化结果

3.3 尺寸优化

相比于电池包顶盖与加强横梁,吊耳、下盖、电池托盘等结构件的形状更为复杂,成型加工较为困难。为使电池包得到充分优化,可采用不改变结构件几何特征的尺寸优化进行轻量化设计。

以各结构件的厚度为设计变量,电池包整体质量作为目标函数,利用Optistruct优化软件进行优化分析,得出结构件的最优尺寸如表5所示。

表5 电池包其他结构件尺寸优化结果 mm

3.4 形貌优化

改善电池包的动态性能,可通过增加结构件的厚度、改变结构件的整体形状或结构件表面起筋等方式实现。然而,增加结构件厚度会增加电池包的整体质量,改变结构件的形状又可能造成与其他零部件发生干涉,故本文采用表面起筋的方式提升电池包的动态性能。

在电池包各结构件中,激励振动主要体现在顶盖上,并且顶盖的可设计区域广泛,能使形貌优化中生成的加强筋更加规则与合理。为此,本文仍将电池包顶盖作为形貌优化对象,其设计区域如图7所示。

图7 电池包顶盖形貌优化设计区域

结合电池包顶盖的形状特征与实际成型工艺,将电池包顶盖的起筋宽度、角度以及筋高分别设置为15 mm、60°和3 mm。并在设计与非设计区域之间定义过渡缓冲区域,避免出现应力集中等问题。本文以1阶模态频率最大化为目标函数[13],利用Optistruct 优化软件对顶盖进行形貌优化,优化结果如图8 所示。

图8 顶盖形貌优化结果

3.5 优化前、后电池包结构性能对比

动力电池包各结构件经不同方式优化后,整体质量较优化前减轻3.92 kg,轻量化率达6.2%。将优化后的电池包在相同的工况载荷与约束条件下进行静力学分析和模态分析,结果如表6、表7所示。

表6 优化后电池包各工况下最大应力和变形量

表7 优化后电池包各阶模态频率

根据分析结果,由于优化后部分结构件厚度的减薄降低了电池包的整体静态性能,使得电池包在各工况下的最大应力、变形量均有所增加,但各结构件的最大应力仍远小于材料的屈服强度,最大变形量仍在安全范围内。此外,因增加顶盖加强筋,优化后电池包动态性能得到大幅提升,其1阶频率远高于电动汽车的激振频率。

因此,上述结果表明:优化后的电池包在维持良好的静态性能前提下,实现了动态性能的提升以及整体结构的轻量化设计。

4 安全性能测试

为了进一步验证电池包优化后整体结构的可靠性,本文按照GB/T 31467.3—2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法》的规定对优化后的电池包实物进行安全性能测试。

电池包的安全性能测试包括挤压、碰撞、短路保护、湿热循环、盐雾以及外部火烧等多类检测项目[14],但本次优化设计仅对电池包不同结构件的材料、厚度或几何特征进行了变更,并未改变电池包内部的电气电路、温控系统和各结构件之间的连接关系,因此,只进行与电池包结构性能要求相关的几类测试,如图9所示。

电动汽车发生碰撞时,电池包内部的电池会因受到强烈的冲击和挤压发生漏电、起火甚至爆炸。电池组外部壳体会因电池包结构件的强烈变形而破裂,使得电池内部的强腐蚀性电解液发生泄漏。所以,国家标准要求电池包在测试期间以及测试后,不应发生起火、漏电、爆炸或电解液泄漏等现象[12]。优化后的电池包安全性能测试结果如表8所示。

由检测结果可知,优化后的电池包实体在6项检测中未出现起火、爆炸、电解液泄漏以及短路等问题,各项安全性能指标均满足国家标准要求。试验结果表明,优化后的电池包仍具有良好的安全性能,该优化设计方案可行。


图9 优化后电池包实体模型安全性能测试

表8 优化后电池包实物模型安全性能测试结果

5 结束语

本文根据电池包的实际工况和与车身的装配形式,通过CAE方法分析出电池包在不同极限受载与约束条件下的静动态性能,结合电池包各结构件的功能属性与结构特征,利用更换轻质材料和CAE 优化的方法对不同电池包结构件进行优化设计。优化后,电池包结构在保持良好静态性能的前提下,整体质量减轻6.2%,且动态性能得到明显改善。对优化后的电池包实体进行安全性能测试,结果表明,各项安全性能指标均满足国家标准要求,优化后的电池包具有良好的安全性能。


参考文献

[1]符兴锋,李罡,曾维权,等.动力电池包抗振动安全性设计研究[J].汽车技术,2018(5):12-15.

[2]徐建全,杨沿平,唐杰,等.纯电动汽车与燃油汽车轻量化效果的对比分析[J].汽车工程,2012,34(6):540-543.

[3]Kaleg S,Amin.1P15S Lithium Battery Pack:Aluminum 5052-0 Strength of Material Analysis and Optimization[C]//2016 International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application(ICSEEA).IEEE,2017:1-5.

[4]Neelameggham N R.The Use of Magnesium in Lightweight Lithium-Ion Battery Packs[J].JOM,2009,61(4):58-60.

[5]王露.电动汽车动力电池箱结构稳健优化设计[D].北京:北京理工大学,2016.

[6]张晓红,周锋,冯奇,等.车用动力电池碳纤维箱体的设计研究[J].上海汽车,2014(9):60-62.

[7]汪佳农,赵晓昱.碳纤维环氧树脂复合材料电池箱的轻量化研究[J].玻璃钢/复合材料,2016(12):99-102.

[8]王少辉.电动汽车用电池管理系统应用研究[D].天津:天津大学,2017.

[9]胡远志,曾必强,谢书港.基于LS-DYNA 和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京:清华大学出版社,2011:10-17.

[10]朱茂桃,郭佳欢,钱洋,等.基于6σ稳健性的车门多学科优化设计[J].汽车技术,2015(12):4-7.

[11]张胜兰,康元春,王卫.中型客车车架结构拓扑优化设计[J].汽车技术,2012(6):36-39.

[12]姜高松.某纯电动汽车电池箱结构设计分析及优化[D].长沙:湖南大学,2016.

[13]张胜兰,郑冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks 的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2007:159-169.

[14]中华人民共和国工业和信息化部.电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3 部分:安全性要求与测试方法:GB/T 31467.3-2015[S].北京:中国标准出版社,2015.

来源:期刊-《汽车技术》作者:王品健, 谢晖 ,王杭燕(湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室)


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