铝合金电池箱结构优化设计

汤贵庭

1.重庆广播电视大学 重庆市 400052 2.重庆工商职业学院 重庆市 401520

1 引言

电动汽车的大力发展，换电式电动汽车以换电时间短、续驶里程长等优点广受企业青睐。电池箱是盛装电池的重要零部件之一，电池箱的设计既要满足机械设计要求，也要满足电气设计要求。

因企业根据经验设计生产，在电池箱材料厚度选择上不是最优，在一定程度上造成了浪费。基于此，结合三维建模软件对电池箱进行结构设计，利用有限元软件对电池箱进行有限元分析非常有必要。

本文按照电池箱设计要求，对电池箱进行了结构设计和静动态特性分析。以避开白车身振动频率范围和轻量化为目标进行了结构优化设计，采用二分法逼近试验获得电池箱的最优结构。

2 电池箱设计要求

电池箱的设计需要满足不仅要满足机械设计要求，还要满足电气设计要求。

（1）机械强度试验要求。满足台架试验、振动试验、冲击试验及开模要求，提高电动汽车的整体匹配性能。在振动试验机上进行振动试验，振动试验需要满足在X轴、Y轴、Z轴的振动频率范围是10HZ-55HZ；最大加速度为30m/s2；扫频次数为10次；扫频频率为10CT/min。试验后无变形、无松动、无损坏。（2）碰撞安全要求。电池单体在电池箱内彼此接触，不会发生滑移现象。通过电池固定带对电池固定。发生碰撞时，电池不会甩出车外；过流装置会迅速断开，不会发生短路；受到挤压变形时，电池内部物质不会流出。（3）通风、防水、绝缘、散热要求。预留通风口，实现散热。电池箱喷涂绝缘漆，对焊缝处涂密封胶，接插件自带密封，实现防水性能。

3 电池箱结构设计及有限元模型建立

3.1 电池箱结构设计

电池箱包括电池箱本体、线缆组件、电池单体、连接器以及电池监测系统。考虑维修的便捷性、电池的互换性和通用性，本文所研究的电池箱设计为无盖长方体，长宽高为725mm x 215mm x 280mm。沿长方体长的方向，两端各放置两块电池单体，中间放置电池监测系统组件、连接器及线缆。

3.2 电池箱有限元模型建立

利用有限元软件对电池箱进行静动态分析，获取复杂工况下电池箱受外力时的应力、应变、位移情况。基于分析结果，对结构进行强度、刚度评价，不合理参数进行变更和优化设计，通过力学评价及试验校核，确定最终设计方案。

电池箱有限元分析目标：对车辆行驶时的急转弯、急刹车、爬坡、涉水、剧烈颠簸振动等不同工况进行静、动态分析和优化设计。达到结构最优的效果。

静态分析；保证电池箱在承载冲击、扭转、弯曲等复杂工况时，不会发生塑性变形和开裂现象。

动态分析；包括固有特性分析和和响应分析，振型、频率等相关模态参数组成了电池箱的固有特性，决定对动载荷响应。对模态分析，得到电池箱振型分布和固有频率，是判断电池箱是否会发生共振依据。

优化设计；设计时各个指标之间往往会相互矛盾，确定主要指标，要求电池箱满足一个或多个主要指标要求，次要指标达到最佳。

利用有限元软件进行前处理，得到电池箱有限元模型。

3.3 电池箱静动态分析

3.3.1 刚度矩阵

电池箱结构单元的刚度矩阵由e=bu得到。e为单元的应变矩阵，u为单元结点的位移列阵。刚度矩阵与电池箱材料的弹性模量和泊松比有关。

3.3.2 有限元应力平衡方程

采用应力应变和单元应变位移关系，将二维单元的应力矩阵转化为结点位移关系，基于位移场分布，满足应力平衡方程。用直接法或迭代法求解器求解平衡方程。

3.3.3 电池箱静态分析

静态分析，采用RADIOSS计算，电池箱单元类型选择四边形和三角形的混合形式。电池箱分两块加工，通过单排布置点焊焊接。计算电池箱的位移、应力，进行强度校核，避免出现失效。

汽车零部件常用材料有普通钢板、高强钢、铝合金，有各自不同特点。铝合金因其密度只有钢的1/3，在汽车零部件中应用较广，如车身覆盖件、轮毂、仪表架、行李箱罩、发动机罩大量使用铝合金材料[1]。

热传导系数是衡量电池箱的热传导、散热性能重要指标，热传导系数越高，热传导性能越好。就热传导系数而言，铁为80W/mK，铝为237W/mK。铝合金除了具有良好的导热和散热性外，还具有机械加工性能好、适用于各种制造方法、耐腐蚀性好、回收重复利用率高等特点[2]。电池箱盛装电池，电池消耗会散发大量热量，本文选用5052-H32作为铝合金电池箱材料。

材料为各向同性材料，弹性模量为7x104N/mm-2，泊松比为0.33，屈服强度为195N/mm-2，质量密度为2.68x10-9Kg·mm-3。经查阅资料，汽车行驶时主要受到扭转、冲击、纵向和侧向载荷，取纯电动汽车在车辆颠簸、急刹车、急拐弯路况下的最大加速度为垂直向上的2g、与行驶方向相反1g、向左0.4g[3]。

结合实际生产需求，保证成本最优和工艺合理性，选用所有部件厚度一致的电池箱，厚度为4mm。受颠簸工况是汽车运行时电池箱的极限工况，仅考虑车辆在此状况下的受载荷情况。

每个电池箱内装有四块电池单体，每块电池单体为22.5Kg，载荷大小为882N。取最大冲击加速度为3g，依据电池箱受力节点数量来计算力的大小。电池箱节点为8503个，每个节点受力为0.3118N。

3.3.4 电池箱模态分析

模态分析分为低阶模态和高阶模态。低阶模态反映电池箱的刚度等特征，通过模态结果，确定车身与电池箱共振频率范围，进行控制，避免共振。在电池箱动态分析时，低阶模态对电池箱影响要高于高阶模态，用低阶模态反应固有振型和固有频率[4]。

3.4 静动态结果分析

利用有限元软件对电池箱进行静动态分析，电池箱应力云图和一阶模态云图分析结果如图1所示。电池箱的质量为4.25kg，最大应力为125.9MPA，一阶模态为119.21HZ。

最大应力发生在电池箱的前后两个侧面，一阶模态最大值发生在电池箱的底部。根据第四强度理论，其中强度条件为σr≤[σ]，[σ]为材料的许用应力。所使用的铝合金为塑性材料，材料发生塑性变形会导致材料失效，用Von Mises等效应力来判断电池箱结构强度。使用铝合金材料屈服极限为290MPA，最大应力125.9MPA远小于材料的屈服极限，电池箱结构设计有很大的优化设计空间。

图1 电池箱应力云图和一阶模态云图

4 电池箱结构优化设计

电池箱结构优化参数包括：目标函数、约束条件、设计变量。目标函数：f（x）=f（x1，x2，x3，x4，...，xn）；

约束条件：hi（x）∈（x0，x01），i=1，2，3，...，m。Gj（x）=0，j=1，2，3，...，mj。设计变量：xkL≤xk≤xk

U，k=1，2，3，...，n。采用局部逼近的数学迭代方法进行求解优化。

设计目标：改变一阶模态频率；减轻电池箱质量。

理论分析，应力值越小对电池箱越不容易发生变形，但实际生产过程中，需要综合各方面因素考虑，电池箱应力满足小于材料屈服强度，模态避开白车身共振频率10~55HZ的范围即可。

采用二分法进行逼近试验，其他条件不变，材料厚度为1.75mm时进行试验，得到应力为157.7MPA，模态为107.89HZ，应力值满足要求，但还可以进一步逼近试验，材料厚度为1.625mm，得到应力大小为177.9MPA时满足材料性能要求，不会发生较大的屈服极限变形[5]。此时电池箱的静动态分析结果如图2所示。

由图2可知，优化后的电池箱最大应力为177.9MPA，发生在电池箱中部通风散热孔附近。优化后的电池箱最大位移为5.664mm，发生在电池箱底部中央位置。优化后的电池箱一阶模态为102.34HZ，电池箱前后两侧振动较为剧烈。此时，电池箱的质量为3.453Kg，质量比优化前减轻18.75%。

图2 电池箱结构优化后的静动态分析结果

5 结语

（1）按照电池箱设计要求，建立了电池箱结构三维模型和有限元分析模型。（2）选取了弹性模量为7x104N/mm-2，泊松比为0.33，屈服强度为195N/mm-2，质量密度为2.68x10-9Kg·mm-3的5052-H32铝合金作为电池箱材料，进行极限载荷状况下的静动态分析。（3）进一步研究，设计的电池箱有优化空间，对电池箱进行结构优化设计，优化后的电池箱厚度为1.625mm，此时电池箱的最大应力为177.9MPA，最大位移为5.664mm，一阶模态为102.34HZ，质量为3.453Kg，质量减轻了18.75%。