商用车电池包新型轻量化结构设计及优化

New Lightweight Structure Design and Optimization of Commercial Vehicle Battery Pack

摘要

为改善某商用车电池包轻量化效果和提升安全性能，根据国标中电池包安全性试验要求，对原始全铝电池包下壳体进行模态、冲击、模拟碰撞、挤压分析，发现其存在抗挤压能力不足的设计缺陷. 针对不足之处重新设计结构，得到设计更合理的多材料融合新型轻量化结构电池包；对铝型材电池包框架结构进行截面优化，得到既可满足电池包结构安全性要求又具备低成本高效生产可行性的合理的铝合金型材截面方案；通过对不同电池包框架结构方案进行有限元仿真，得到满足工厂生产要求的最优化电池包框架结构方案. 实物挤压实验结果表明，经过轻量化结构设计和优化，电池包结构在质量明显减少的同时，安全性能达到国标要求，相比于原始设计方案，优化后电池包框架结构方案的轻量化效果良好，质量减少12.3%.

Abstract

To improve the lightweight effect and safety performance of a commercial vehicle battery pack， the modal， impact， collision simulation and extrusion analysis of the original aluminum battery pack lower shell were carried out according to the requirements of the battery pack safety test in the national standard， and it was found that there was a design defect of insufficient anti extrusion ability. Then， the structure was redesigned according to the shortcomings， and a new lightweight battery pack with multi material fusion was obtained. Meanwhile， the section of aluminum profile for battery pack frame structure is optimized， and a reasonable section scheme of aluminum profile is obtained， which can not only meet the safety requirements of battery pack structure， but also have the feasibility of low-cost and efficient production. Finally， based on the finite element analysis of different battery pack frame structure schemes， the optimal battery pack frame structure scheme meeting the production requirements of the factory is obtained. The results of the physical extrusion test show that after lightweight structure design and optimization， the weight of the battery pack is significantly reduced， and the safety performance meets the requirements of the national standard. Compared with the original design scheme， the lightweight effect of the optimized frame battery pack scheme is 12.3%.

Graphical abstract

关键词

电池包 / 轻量化结构 / 有限元方法 / 优化

Key words

battery pack / lightweight structure / finite element method / optimization

气候变化已经成为全球关注的焦点，人们越来越重视环境保护和可持续发展^［1］. 在这种背景下，新能源汽车应运而生. 相比传统燃油车，新能源汽车具有更低的碳排放和更高的能源有效性. 从环保和经济角度考虑，新能源汽车的推广对于实现可持续发展具有深远的意义. 在减少能源消耗和碳排放的同时，新能源汽车为石油资源的枯竭提供了新的解决方案^［2］. 因此，新能源汽车技术的优化和改进也是国家发展战略中的重要一环，而动力电池包作为新能源汽车的核心技术之一，具有至关重要的地位.

动力电池包是新能源汽车中最重要的组成部分，其性能和质量直接影响新能源汽车的性能和安全^［3］. 因此，国内外学者对电池包结构设计进行了许多研究. 谢小平等^［4］、李志杰等^［5］通过对电池包系统的精细化建模，降低了模态仿真工况下的计算误差，并提出了新的综合评价电池包设计安全性的方法. Hartmann等^［6］、楚博^［7］通过形貌优化的方法提高了电池包结构的自然频率，同时提高了电池包结构整体的刚度，质量减少近20%. 黄君钊^［8］、张伟等^［9］、贾峰等^［10］对铝合金电池包进行了拓扑优化，设计出抗振性能良好、质量和体积小的客车用电池包. 谢晖等^［11］、钱利勤等^［12］提出全新设计-局部拓扑优化-全局的尺寸优化设计方案，使用多目标优化软件Isight得出了最佳的加强筋设计尺寸，优化后方案整体结构质量减少10.9%，整车续航里程提升11.1%. 傅旭攀^［13］采用碳纤维复合材料替代铝合金设计电池包，经过合理设计铺层顺序后得到的电池包下壳体质量显著减少，达65.8%，且力学性能满足安全性要求. 朱普强^［14］建立了具有碳纤维点阵防护结构的电池包，可以降低冲击时的异物侵入量和减小箱体应力. Wang等^［15］针对新兴的无模组动力电池包结构，设计了负泊松比管状防护装置，并通过NSGA-Ⅲ遗传算法对其进行参数优化，得到了减重率达26.22%的新型电池包结构.

上述学者对电池包的研究多为将电池包当成一个整体来进行结构设计，但是电池包集成功能太多会导致系统复杂度提高，加大结构优化的难度. 本文针对某商用车原始电池包结构设计的不足，将其不同功能部分进行拆分，得到具有多材料、多层次特点的新型轻量化结构；运用有限元仿真，由部件到整体对电池包框架进行截面优化，得出兼具安全性能和轻量化的电池包框架方案，进行实物实验证明设计的可行性.

1 原始全铝电池包有限元分析

1.1 原始全铝电池包有限元模型建立

某商用车原始电池包结构如图1所示，其结构主要包括塑料材质上盖、电池模组、含水冷板的全铝电池包下壳体以及插接板. 其中水冷板集成在下壳体底板上，上盖与下壳体通过螺栓连接紧固，插接板和下壳体通过结构胶连接，电芯通过串/并联形成模组，按阵列规整布置在电池包内. 电池包下壳体由铝合金型材和铝合金水冷板焊接而成，采用6061材料，总质量16.64 kg.

依据有限元建模有关标准，对电池包实体模型进行几何清理和简化后，导入前处理软件Hypermesh中建立原始全铝电池包有限元模型，如图2所示，不含电池模组. 除底板部分厚度较大位置采用体单元外，模型其他位置采用壳单元进行网格划分. 网格划分的尺寸为3~5 mm.模型共包含363 149个壳单元，28 848个体单元.采用节点耦合方式模拟焊缝，用刚性单元（RB2/RigidBody）模拟螺栓连接，同时在刚性单元中心节点均匀布置0.3 t的集中质量模拟电池包、水冷板等其他部件. 为更好地模拟铝合金在大变形下的失效，电池包选用具有各向异性损伤的82号塑性材料建模^［16］，采用失效条件为最大应变0.08. 电池包基本材料属性如表1所示.

1.2 模态分析

汽车行驶过程中，当全铝电池包所受激励频率与其自身某阶固有频率接近时，电池包与车身会产生共振，导致电池包结构产生很大的变形和动应力，甚至造成破坏. 因此，需要对电池包进行模态分析以找出各阶固有频率，采用Optistruct软件对电池包的模态进行分析，使用Lanczos法计算电池包前4阶自由模态，结果分别如表2和图3所示.

新能源汽车行驶过程中的振动主要来源于以下两种工况：驱动电机工作时的励磁频率，通常不超过25 Hz；汽车以一定速度行驶时，路面的凹凸不平使汽车产生不同的激励频率，其公式如式（1）所示.

f=V/3.6L（1）

式中：f为汽车产生的激励频率；V为汽车当前行驶速度； L为路面不平整度的波长. 表3为常见的路面不平整度的波长^［17］.

由于该款商用车主要行驶在城市平坦公路，最高车速不超过100 km/h，可计算得出该款车型会遇到的最高路面激励频率小于27.78 Hz，因此可以判定当电池包各阶固有频率大于30 Hz时，能够避免因电机振动和路面不平产生共振，行驶时保持在安全状态. 由表2中计算结果可知，该车型原始全铝电池包的一阶模态为46.2 Hz，已经超过了激励频率，可以认为该款电池包不会出现共振现象，满足振动安全性的要求.

1.3 动态性能分析

根据《电动汽车用动力蓄电池安全要求》 （GB 38031—2020） ^［18］，设置了如下3种动态工况，其描述如下：

1）冲击工况：约束条件为固定电池包与车辆连接点处的全部自由度，电池包内部各部件之间的接触规则为自接触，摩擦因数为0.2；加载条件为对电池包整体施加沿Z轴正方向、最大加速度7g的正弦冲击加速度波，脉冲时间为6 ms.

2）模拟碰撞工况：约束条件为固定电池包与车辆连接点的全部自由度；电池包内部各部件之间的接触规则为自接触，摩擦因数为0.2；加载条件为对电池包整体施加X和Y方向、最大加速度分别为28g和15g的模拟碰撞波形，碰撞波形持续时间为120 ms.

3）挤压工况：分别在不同位置，从X方向和Y方向使用半径75 mm的半圆柱刚性压头对电池包结构施加逐渐增大的挤压力，一侧放置足够大的刚性平板作为支撑，直到挤压力达到100 kN；电池包各部件之间采用自接触，摩擦因数为0.2，电池包与压头和支撑平板之间均采用面面接触，摩擦因数为0.2，计算得到电池包结构的挤压变形情况（X方向为行进方向，Y方向为另一垂直于行驶方向的水平方向，Z轴为重力方向）.

采用LS-DYNA软件对上述3种工况进行分析，其计算结果分别如表4和图4所示.

由以上计算结果可知，在冲击工况中，全铝电池包的最大应力为186.9 MPa，远低于其屈服强度；在模拟碰撞工况中，最大应力为324.5 MPa，但此时材料安全系数较小，需要提升整体结构强度；在挤压工况中，全铝电池包在Y向最大只能够承受76.9 kN的挤压力，远低于规范要求的100 kN，具有较大的改进空间.

2 电池包新型轻量化结构设计

2.1 原始全铝电池包存在的问题

结合可靠性试验和前一节仿真的相关数据，原始全铝电池包的结构设计有如下问题：原下壳体的水冷板使用铝合金材料，且与下壳体框架焊接成一体，其下部壁厚较小，当遇到Z向冲击时，可能产生破损，无法有效保护内部电池模组的安全；电池包侧边框架虽然采用了简单截面，但其抗弯强度仍较低，在X/Y向挤压工况下面临失效的风险；原水冷板采用的流道设计不合理，不能很好地带走电池模组的热量. 由此可见，原电池包全铝下壳体的设计方案有较大缺陷，需要针对其表现薄弱的方面进行重新设计和优化，以改善其安全性能.

2.2 电池包结构设计方案

为了对电池包进行轻量化，本文对原始电池包结构进行重新设计，将原始集成式全铝电池包下壳体拆分成电池包铝框架、塑料流道板和导热铝板结构，电池包框架如图5所示. 由于电池包在行驶过程中主要受到X/Y向的挤压、碰撞，Z向的冲击，电池包框架作为承载电池包的部件，须保护电池模组免受冲击、碰撞、挤压等侵入造成电池包起火甚至爆炸等事故. 基于轻量化设计目标，并结合所选制造工艺及其相关研究基础，新设计的电池包框架采用铝合金挤压型材经激光焊接工艺加工而成. 型材截面根据当前位置主要受载选型，兼顾铝合金挤压生产工艺限制，在抗冲击、抗弯、抗碰撞方面具有良好的性能，可有效避免电池包的安全性问题.

原始集成式水冷板全部由铝合金制成，质量较大，且流道设计不合理，导致散热性差，故对其进行重新设计. 综合考虑电池包框架结构和电芯发热情况，本文设计了使用模压成型的塑料流道板，其与铝合金导热板黏接在一起形成密封的S形并联型流道，如图6所示. 该设计具有散热效果较好、结构简单、冷却均匀等优点，同时轻量化效果明显，制造成本也较低. 该流道板设计创新性地将电池包边框型材空腔作为冷却液进出电池包内部塑料流道的一部分，大大缩小了电池包散热系统的体积.

重新设计的电池包底部承载结构，使得铝型材承担了主要抗竖向冲击的任务，得到了更好的抗冲击性能；水冷流道板得到框架结构的保护，不用担心漏液破损的问题，采用塑料材质大大降低了电池包整体的质量；塑料流道板成型容易，可按照框架结构设计外形，装配时可直接搭扣在承载框架上，与铝型材框架之间通过快拆接头连接，共同形成整个流道，提高了电池包整体的密封性.

新型轻量化结构电池包设计方案如图7所示^［19］. 塑料流道板与塑料电池包上盖组合形成塑料隔热腔体（电池和塑料流道均在腔体内），其既可通过内部塑料流道中的冷却介质将电池热量及时传至腔体外，又可在低温环境下将电池与外界适当隔绝，起到良好的保温效果. 新设计的电池包采用多材料融合的铝塑混合结构，兼顾电池包高强度刚度、良好的隔热散热性以及低成本轻量化的市场需求，且具有很高的可生产性，为企业的大规模生产奠定了基础.

3 电池包框架截面方案

原始全铝电池包在各项工况中，主要是挤压工况表现较差，因此，设计电池包框架结构的首要任务是提升电池包的抗挤压性能. 因此，本节旨在找出合适的电池包框架截面^［20］，使得电池包框架结构整体挤压性能满足《电动汽车用动力蓄电池安全要求》 （GB 38031—2020）. 由于本研究所设计的电池包框架中，在国标要求的挤压工况下，主要变形形式为面外弯曲，因此，本研究主要考虑面外弯曲工况对边梁的抗挤压性能的影响.

由于新设计的电池包框架结构较原始电池包结构有较大的改变，其有限元模型的网格大小要重新考虑. 过粗的网格在一定程度上会影响计算结果的准确度，而过细的网格又会增加计算量. 为了提高计算精度同时保证合理的计算量，需要对网格进行相对收敛性检查以选定合适的网格尺寸^［21］. 图8为其中一种方案在不同网格尺寸下挤压工况最大应力计算结果，由图8可知，网格尺寸小于或等于4 mm时，计算得到的应力大小基本不变，计算达到收敛. 考虑计算经济性，后续电池包有限元模型各部件采用 4 mm网格建模.

3.1 侧 梁

从电池包框架上截取一部分结构，对侧梁的抗挤压性能进行分析，如图9所示. 分别对两根横梁中间位置和正对横梁位置进行挤压. 在此基础上，进行侧梁结构的截面优化.

对不同截面的侧梁结构进行仿真，得到所能承受的挤压力，如表5所示. 选用单位质量能承受挤压力较大的方案3作为后续电池包框架的侧梁的截面. 图10为侧梁方案3断裂前的变形图，其中黑色为变形前的截面，红色为变形后的截面，蓝色圈中为变形时的薄弱部位. 挤压两根横梁中间位置时，在挤压位置，多块板发生挤压屈曲变形；在连接横梁位置，侧梁截面有一定整体转动. 正对横梁位置挤压时，底部板和横向隔板有挤压屈曲变形.

3.2 端部横梁

在电池包框架结构中，端部横梁对框架X向抗挤压性能具有直接影响，因此需针对端部横梁结构开展截面优化设计，如图11所示.

对不同截面的端部横梁结构进行仿真，得到所能承受的挤压力，如表6所示. 选用单位质量能承受挤压力较大的方案3作为后续电池包框架的端部横梁的截面. 图12为端部横梁方案3在挤压断裂前的变形图，其中蓝色为变形前的截面，红色为变形后的截面，蓝色圈中为变形时的薄弱部位. 横梁的局部挤压变形很小，横梁结构表现为向内整体弯曲，增加的支撑梁有弯折现象.

4 电池包框架结构整体分析

4.1 电池包框架结构有限元模型的建立

图13为所建立的4种电池包框架结构有限元模型. 这些模型在全铝电池包方案基础上，结合前述截面优化的结果进行修改. 各模型之间的区别描述如下：

1）电池包框架方案1：在全铝电池包方案的基础上，删除铝合金水冷板，底板增加横梁、纵梁结构，采用6061铝合金材料，框架结构质量11.58 kg.

2） 电池包框架方案2：在电池包框架方案1的基础上，更改边梁截面厚度. 框架结构质量11.26 kg.

3） 电池包框架方案3：在电池包框架方案2的基础上，边梁上删除两块隔板. 框架结构质量10.58 kg.

4） 电池包框架方案4：在电池包框架方案3的基础上，更改侧梁截面. 框架结构质量11.52 kg.

4.2 电池包框架结构仿真分析

对4种方案分别进行模态、冲击、模拟碰撞、挤压分析，得到的计算结果如表7所示. 由表7可知，所有方案中框架方案1最优，一阶模态为42.3 Hz，冲击应力和碰撞应力均小于材料屈服强度，总体X/Y向挤压力均大于国标要求的100 kN，能够满足所有要求，质量减少13.1%.

4.3 电池包框架结构最优化方案

原复杂型腔的型材方案挤压成本过高，且成型性差，根据目前工艺水平，挤压铝型材屈服强度调整为300 MPa. 为提高生产性，降低加工成本，对框架结构部分截面进行简化，选择方案6作为侧梁截面、方案5作为端部横梁截面. 采用300 MPa的屈服强度后，计算电池包框架结构的性能，其计算结果如表8和图14所示.最优方案电池包框架结构示意图如 图15所示.

由表8可以看出，电池包框架方案的一阶模态频率高于30 Hz的目标值；电池包框架X向最大可承受98.7 kN的挤压力，稍低于目标值（100 kN），考虑到模型中没有放入电池模组，可以认为屈服强度达到300 MPa时，电池包框架能够满足挤压工况要求. 电池包框架方案总质量为11.71 kg，加上其他部件（塑料水冷板等）质量2.88 kg，相对于全铝下壳体质量16.64 kg，质量减少12.3%.

4.4 电池包框架实物挤压实验

根据国家标准要求，对最优电池包框架实物进行挤压实验（图16）. 分别从X方向和Y方向对电池包进行挤压，电池包一侧与刚性平板接触，另一侧用半径为75 mm的刚性半圆柱进行挤压，压头速度为0.05 mm/s. 实验结果如图17所示.

由图17可知，X向挤压工况中，电池包框架实物能够承受99.9 kN的挤压力，可以认为电池包组装完毕后可承受超过100 kN的挤压力. Y向挤压工况中，电池包框架实物能够承受123.1 kN的挤压力，高于规范要求的100 kN. 经过挤压实验可以证明，虽然优化后的框架电池包在生产加工中由于焊接等因素的影响，其X向挤压力较理论值有所下降，但仍高于原始设计方案且能满足国标要求，其质量减少12.3%，轻量化效果良好.

5 结 论

1）通过分析国标要求，结合商用车行驶实际情况，得到4种动静态工况，提高了原始电池包有限元分析和后续优化结果的可靠性.

2）通过上述分析，发现原始全铝电池包的设计存在缺陷，部分力学性能不达标，由此重新设计了框架电池包结构，在轻量化电池包箱体的同时，兼顾了结构强度，并且提升了电池包整体的密封性和散热性能.

3）以抗挤压性能为主要优化目标对框架电池包所用型材进行截面选型，得到了合理的截面方案，并从整体角度对4种框架电池包设计方案进行有限元分析，得到了最优化的框架电池包方案.

4）优化后电池包质量减少12.3%，固有频率大于42.3 Hz，最大应力小于323.6 MPa，抗挤压力大于116.6 kN，均满足国标要求. 经实物挤压实验验证，相较原始全铝电池包结构，优化后的电池包框架结构轻量化效果明显，具有良好的安全性能.

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基金资助

国家重点研发计划资助项目(2022YFB4300101)

National Key Research and Development Program of China(2022YFB4300101)

湖南省科技创新领军人才项目(814202100306)

Hunan Science and Technology Innovation Leading Talent Project(814202100306)

湖南省科技创新计划项目(2021JC0005)

Hunan Science and Technology Innovation Plan Project(2021JC0005)

整车先进设计制造技术全国重点实验室自主课题(734215232)

Self-Topic