混合動力汽車用電池包結(jié)構(gòu)分析及改進

周一丹　陳小丹　顏認　周陳全　儲愛華

摘 要： 動力電池是混合動力汽車的主要儲能元件，對整車的性能具有重要影響。而電池包作為電池模組的載體，則起著保護電池模組正常、安全工作的關(guān)鍵作用，其結(jié)構(gòu)強度是否可靠直接影響整車的安全性。以某混合動力汽車用電池包為研究對象，建立其三維有限元模型，通過Abaqus軟件分析電池包結(jié)構(gòu)在6種典型工況下的應力及位移分布情況?；趶姸确治鼋Y(jié)果對電池包結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。仿真結(jié)果表明，改進后的電池包結(jié)構(gòu)強度滿足混合動力汽車對電池包的強度要求，為電池包產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的定型設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 混合動力汽車； 電池包結(jié)構(gòu)； 強度分析； 設(shè)計改進

中圖分類號： TN948.2?34； TH122 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0170?04

Abstract： The power battery is the main energy storage element of hybrid power vehicle， and has an important influence on the vehicle performance. As the carrier of the battery module， the battery pack plays a key role in protecting the normal and safe operation of the battery module， and the reliability of its structure strength affects on the safety of the vehicle directly. The battery pack of a certain type of hybrid power vehicle is taken as the research object to establish its three?dimensional finite element model. The stress and displacement distribution of the battery pack structure under 6 typical working conditions are analyzed with Abaqus software. On the basis of strength analysis results， the improvement design of the battery pack structure was carried out. The simulation results show that the improved structure strength of the battery pack can meet the strength requirement of hybrid power vehicle for battery pack， and provides a theoretical basis for the design type of the battery pack structure.

Keywords： hybrid power vehicle； battery pack structure； strength analysis； design improvement

0 引 言

在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車向新能源汽車發(fā)展的過程中，混合動力汽車作為一種過渡車型，因具有污染小、油耗低、動力性強等優(yōu)勢，獲得了越來越廣泛的應用[1?2]。動力電池作為混合動力汽車的儲能元件，對整車動力性及燃油經(jīng)濟性有著重要影響。電池包作為電池模組的載體結(jié)構(gòu)，除了支撐整個電池集成系統(tǒng)，更起著保證電池模組正常、安全可靠工作的關(guān)鍵作用[3?4]。由于整車運行工況的復雜性，文中從6種典型工況出發(fā)，運用有限元計算方法對電池包在典型工況下的應力和位移情況進行仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果對所設(shè)計的電池包結(jié)構(gòu)提出改進方案，在工程應用方面具有重要的意義。

1 混合動力汽車用電池包

1.1 電池包結(jié)構(gòu)

以某款混合動力汽車用動力電池包為研究對象，該電池包主要由電池模組、底部支撐架、電池包蓋板、高壓元器件集成模塊及高壓倉蓋板、風機及風機護板等零部件組成。其中，電池模組分為總正、總負模組，每個模組包括4排5列共20個圓柱形鎳氫電池模塊，每個模塊由6個電池單體串聯(lián)組成；底部支撐架是承重部件；高壓元器件均布置在高壓倉中并加裝蓋板進行高壓倉的保護；該電池包采用強制風冷的散熱方式，在左右模組底部各安裝了一個離心式風機，用于對電池模組進行冷卻，并加裝風機護板進行防塵防水保護。

圖1是用CATIA建立的電池包結(jié)構(gòu)模型。

1.2 電池包有限元模型的建立

Hypermesh前處理軟件不僅具有強大的網(wǎng)格劃分功能，能夠?qū)Ω鞣N復雜結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格離散化，還與多種主流分析軟件建立良好的數(shù)據(jù)接口[5]。網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的重要手段，有限元模型中網(wǎng)格質(zhì)量的高低直接影響著計算的效率及計算結(jié)果的精度[6?7]。本文利用Hypermesh對電池模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格的大小為5 mm，共生成71 402個單元，73 257個節(jié)點。

本文分析的電池包主要由沖壓鈑金件焊接而成，各鈑金件用殼單元（S4單元）模擬，左右電池模組、高壓元器件以及風機分別用質(zhì)量單元模擬，賦予的質(zhì)量值分別為25 kg，1 kg，0.8 kg。點焊與螺栓連接是將電池包各部件裝配在一起的主要方式，由于焊點與螺栓的剛度要比其所連接部件的剛度高很多，其受力變形可以忽略不計，所以模型中采用焊接單元與BEAM梁單元對焊點與螺栓進行模擬。endprint

材料對于電池包的結(jié)構(gòu)性能具有重要影響，為了保證動力電池的安全性、可靠性，同時滿足防污染、防噪聲、防腐蝕、輕量化、低成本等方面的要求，電池包鈑金件的材料均選用DC01冷軋鋼板， 各部件材料屬性及厚度如表1所示。

通過Hypermesh與Abaqus的數(shù)據(jù)接口將建立好的電池包有限元模型導入到Abaqus中，模擬分析其在不同工況載荷條件下的應力、位移分布情況，以確保電池包結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

2 電池包結(jié)構(gòu)強度仿真分析

整車在行駛過程中，由于路面狀況的差異會產(chǎn)生不同的行駛工況，從而造成電池包的載荷條件隨之變化。在整車行駛工況中，組合工況、側(cè)向沖擊、過坑工況、倒車上臺階以及垂直沖擊等工況較為常見[8]。故基于以上6種工況對電池包施加載荷約束，進行結(jié)構(gòu)強度分析。參考Q/JLYJ7110570A?2012技術(shù)規(guī)范，各工況加速度如表2所示，結(jié)合各零部件的質(zhì)量，根據(jù)牛頓第二定律F=ma，得到施加在電池包上的約束力。在實際工程中，電池包通過前后4個支撐架采用螺栓連接方式固定在車身上，故約束前后4個支撐架的所有自由度。

2.1 前行制動工況

在前行制動工況下，根據(jù)整車的動力性要求[9]，需在3 s內(nèi)將車速從120 km/h減至0，在此過程中，電池包結(jié)構(gòu)除了承受本身的重力外，還受到由于制動而產(chǎn)生的沿水平方向的慣性力。將該載荷力施加在電池模組和風機質(zhì)量單元上，并固定約束電池包的4個支撐架。圖2為前行制動工況下，電池包結(jié)構(gòu)等效應力與位移分布云圖。

由圖2可以看出，前行制動工況下，電池包結(jié)構(gòu)的最大等效應力為166.2 MPa，發(fā)生在底座左前方位置，最大位移為0.304 9 mm，發(fā)生在蓋板左上方位置。

2.2 側(cè)向沖擊工況

側(cè)向沖擊工況中，電池包主要承受自身重力及側(cè)向沖擊力，圖3為此工況下電池包結(jié)構(gòu)等效應力與位移分布云圖。

由圖3可以看出，側(cè)向沖擊工況下，電池包結(jié)構(gòu)的最大等效應力為131.9 MPa，發(fā)生在后橫梁與底座左后安裝孔位置，最大位移為0.114 8 mm，發(fā)生在底座左前端位置。

2.3 過坑工況

當整車行駛在有淺坑的路面時，此時電池包結(jié)構(gòu)除了承受自身的重力外，還受到由于電池包在起伏過程而產(chǎn)生的沿豎直方向的慣性力。圖4為過坑工況下，電池包結(jié)構(gòu)等效應力與位移分布云圖。

由圖4可以看出，過坑工況下，電池包結(jié)構(gòu)的最大等效應力為380.7 MPa，發(fā)生在右前支撐架安裝孔位置，最大位移為0.541 8 mm，發(fā)生在蓋板左上方位置。

2.4 倒車上臺階工況

整車在倒車上臺階時，電池包除了承受自身的重力外，還受到由于整車上臺階而產(chǎn)生的豎直方向的慣性力。圖5為倒車上臺階工況下，電池包結(jié)構(gòu)等效應力與位移分布云圖。

由圖5可以看出，倒車上臺階工況下，電池包結(jié)構(gòu)的最大等效應力為274.4 MPa，發(fā)生在后橫梁與底座左后安裝孔位置，最大位移為0.324 6 mm，發(fā)生在底座與蓋板右前安裝孔位置。

2.5 垂直沖擊工況

當整車行駛在嚴重凹凸不平（即有較大落差）的路面時，電池包除了承受電池組的重力外，還受到由于整車突然下落而產(chǎn)生的豎直方向的慣性力。圖6為垂直沖擊工況下，電池包結(jié)構(gòu)等效應力與位移分布云圖。

由圖6可以看出，垂直沖擊工況下，電池包結(jié)構(gòu)的最大等效應力為306.1 MPa，發(fā)生在右前支撐架安裝孔位置，最大位移為0.336 7 mm，發(fā)生在底座與蓋板右前安裝孔位置。

2.6 組合工況

組合工況綜合考慮了整車行駛過程中的各種狀況，此工況下，電池包結(jié)構(gòu)主要承受重力及沿豎直方向的慣性力。圖7為組合工況下，電池包結(jié)構(gòu)等效應力與位移分布云圖。

由圖7可以看出，組合工況下，電池包結(jié)構(gòu)的最大等效應力為238.6 MPa，發(fā)生在左前支撐架安裝孔位置，最大位移為0.266 3 mm，發(fā)生在高壓倉蓋板左前方位置。從各個工況下的分析結(jié)果可以看出，電池包的變形主要產(chǎn)生在電池包前側(cè)位置，最大等效應力主要產(chǎn)生在支撐架位置。電池包鈑金件采用的DC01材料的極限強度為410 MPa，根據(jù)可靠度設(shè)計標準，取安全系數(shù)為1.6，因此許用應力為256.25 MPa。在過坑、倒車上臺階、垂直沖擊工況下電池包的最大等效應力分別為380.7 MPa，274.4 MPa，306.1 MPa，均已超過了材料的許用應力，故電池包原結(jié)構(gòu)設(shè)計方案不能滿足強度要求，需對其結(jié)構(gòu)進行改進。

3 電池包結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

仿真結(jié)果表明電池包的最大應力及變形主要發(fā)生在支撐架和電池包前側(cè)位置，據(jù)此提出以下優(yōu)化改進措施：為了增加結(jié)構(gòu)強度，在兩個后支撐架處分別加焊一塊加強板，與整車固定的連接孔開在加強板斜面上；為了增加電池包的剛度，減小電池包前側(cè)變形量，在電池包前側(cè)增加與整車相連接的防撞梁。圖8為電池包結(jié)構(gòu)改進前后對比。

由于過坑、倒車上臺階、垂直沖擊工況下原電池包結(jié)構(gòu)的強度不滿足要求，故對改進的電池包在此三種工況下的結(jié)構(gòu)強度進行比較分析。圖9～圖11分別為優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)在過坑、倒車上臺階、垂直沖擊工況下的等效應力與位移求解結(jié)果。

由以上分析結(jié)果可知，改進的電池包結(jié)構(gòu)在過坑、倒車上臺階、垂直沖擊工況下的最大等效應力分別為241.4 MPa，205.9 MPa，235.2 MPa，均已小于其材料的許用應力256.25 MPa，滿足強度設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

文中利用有限元法對某款混合動力汽車用電池包結(jié)構(gòu)進行典型工況下的強度分析。分析結(jié)果表明，原電池包結(jié)構(gòu)在過坑、倒車上臺階以及垂直沖擊工況下，其最大等效應力均已超出所用材料的許用應力，無法滿足電池包的強度使用要求；因此文中通過增加與整車連接的防撞梁和后支撐架加強板以改進電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計。改進結(jié)構(gòu)的仿真分析結(jié)果表明，電池包在各工況下的整體位移、最大等效應力均得到顯著改善，最大等效應力值為241.4 MPa，小于材料的許用應力256.25 MPa，滿足電池包結(jié)構(gòu)強度要求，達到了預期設(shè)計目標，對于提高電池包的使用安全性、可靠性具有重要意義。

注：本文通訊作者為陳小丹。

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