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电池包箱体的有限元分析和结构优化设计

李明秋  
【摘要】:电池包作为新能源汽车的核心动力部件,已然成为了影响新能源汽车整车性能和市场竞争力的关键要素。从过去到现在,汽车领域在产品设计中一直注重高刚度、轻质量的轻量化设计路线,从而带来制造成本降低、低油耗等显著的经济效益和竞争力。与之类似,现如今的电池包pack设计在面对国家的各项指导意见和补贴政策的刺激下,也急需在单体质量能量密度上狠下苦功,以不断的技术创新,保持自己的市场竞争力。即遵循轻质量、高能量密度的发展路线。当前寻求高度轻量化和高质量能量密度的电池包箱体解决方案,已成为新能源动力电池行业迫在眉睫的事情。而综合从新材料、新工艺和CAE仿真优化技术则恰恰是攻克这一难题的三把利刃。在新材料、新工艺方面,本文将对电池包下箱体采用碳纤维复合材料进行制造,着重研究碳纤维的铺层组形状、厚度和合理的铺层顺序,用以匹配现有钣金箱体在各种典型静态、动态工况下的强度和模态要求,同时力求大幅减轻箱体的总重量。在电池包箱体的设计优化上,同时也应注重应用传统的设计经验和工艺方法。箱体上盖作为电池箱体的封装件,其特点为不是承重件,除自身重力外,基本很少受外力作用,没有必要采用复杂且造价相对高昂的碳纤维复合材料制造。对它的基本设计要求只需满足低阶模态能避开路面不平度产生的激励频率即可。因此,对箱体上盖的优化研究着重点在于,在不改变材料的基础上,通过成熟的钣金冲压工艺,在上盖表面合理布局并加工出凸包结构,进行局部加强,提高上盖整体的刚度和低阶模态,避开路面激励频率点。在静刚度方面,原设计中电池包箱体上盖的表现较差,在颠簸等典型工况下,最大变形量超过20mm,较大的变形量容易造成上盖与电池模组相互碰撞,存在较大安全隐患;在静强度方面,原设计中电池包下箱体底板表现较差,在颠簸等典型工况下,最大等效应力达到455.67MPa,超出了材料的屈服极限和强度极限,容易产生破坏,导致箱体产生裂纹或撕裂;在动刚度方面,原设计中电池包箱体上盖表现较差,一阶频率仅为13.657 Hz,前十阶的共振区域均发生在箱体上盖上,表明箱体上盖的局部刚度严重不足,亟待加强,建议加强后的箱体上盖,其一阶共振频率应高于27.78Hz。最后通过自由尺寸优化技术、层组尺寸优化技术和单层铺层顺序优化技术的综合运用,最终得到了各层组的最优裁剪形状、厚度和最佳的单层铺层顺序。优化后的电池包箱体在最极端工况下的变形量仅为4.05mm,最大等效应力为136.9MPa,第一阶固有频率为32.5Hz,其静刚度、静强度和动刚度的表现都较为出色,减重比达到了66.61%,轻量化效果显著。


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