基于某款纯电动汽车的动力电池包结构设计及优化

引言

动力电池包作为一个机械-电-热耦合的复杂系统，它的强度特性同时影响着电、热和机械系统的安全与可靠性汽车在行驶过程中来自路面和其他外界的冲击与激励都将经由车身与底板系统传递至电池包处，因此其静动态性能是结构设计的关键。目前针对电池包动态特性的研究主要从结构的自由或约束模态性能切入，研究结构在激励下的振动特性并通过提升局部刚度以优化模态性能，兰凤崇等基于单体等效力学参数与实际接触连接条件提出了一种更精确的电池包复杂系统建模和分析方法。陈雨等通过对包内电池单元动力学精确建模，使电池包系统模态仿真结果相对误差控制在5%以内。在动力电池包静态性能提升与轻量化的研究中，目前的优化设计手段主要包括：替换轻质合金或复合材料以提升箱体外包件的强度密度；拓扑优化或尺寸优化设计减少非关键位置的材料堆叠；形貌优化设计增强局部结构刚度。例如HART-MANNM等通过形貌优化设计提升了电池包模态性能，并使用尺寸优化完成原始结构20%的轻量化设计；杨书建以某款DC03钢制电池包顶板和底板的刚度性能为优化目标，以有限元设计方法成两处位置的加强筋布置并提升其静态性能。

上述针对电池包的研究多为其单一特性的优化与验证，但是电池包作为一个集功能性与安全性为一体的复杂系统，针对其结构的设计研究目前较少。本文针对某款汽车现用电池包结构与轻量化设计上的不足，重新制定箱体底板、边框和连接件部位结构的设计方案；通过有限元仿真方法，建立新电池包模型并验证其结构性能，设计整体优化策略；总结参数化优化设计结果的数值分布规律，引入载荷比（元素）辅助解释各部件厚度尺寸优化结果的取值趋向与原因；最后以仿真与实物验证证明设计与优化的可行性。

1电池包结构设计

1.1原设计存在的问题
某款车型的原电池包结构设计方案如图1所示，主要部件包括顶盖、下盖、吊耳和内部加强筋结构其中顶盖和下盖以及电池包整体与车体底盘使用螺栓连接方式锁固，而加强筋结构与吊耳部分皆通过焊接方式固定在电池包下盖的内外两侧。电池包结构件均采用高强钢冲压成形，箱体空载总重63.23kg。根据原结构设计，结合相关试验数据得出此设计存在的问题如下：原方案下盖由高强钢板一次冲压剪裁成形，当车辆发生侧碰或电池包遇到跌落等事故时，无法有效保护包内电池模组的安全；电池包吊耳部分虽然通过板件的多次弯折增强了局部刚度，但是单层Z形钢材的抗弯性能不高，在车辆的颠簸等垂向冲击工况下，存在连接失效的风险；原设计通过空气对流的自然散热方式，电池包散热量不足且电池模组温升不均匀。可见原电池包的设计方案有缺陷，需要从电池包的安全和功能性出发，进一步优化设计以改善结构、连接和散热等问题。

1.2优化设计方案
本文重新设计相关结构后将原一体式下盖拆分为边框和底板两部分，如图2所示。动力电池包的边框件主要负责电池单元的侧向防护，避免车辆在侧碰事故中受侧向侵入造成电池穿刺和损伤，从而导致起燃和爆炸等危险和二次事故。基于成本、制造难度和相关研究数据，新边框设计选用侧向刚度、抗弯性能和抗撞性能较高的三角形镂空矩形管为设计单元。电池包连接件在静态和颠簸等动态工况中承受结构整体的垂向加载和冲击，因此吊耳部分选用抗弯性能较好的日字形截面，通过3层水平结构共同承载的方式分摊垂向刚度需求，避免连接失效而造成的电池包跌落等风险。

与原—体式单层结构不同，新电池包的底板由7块设计单元拼焊而成，如图3所示。考虑到老款风冷设计导致的电池模组散热缺陷，本文选用两进两出串联式液冷为电池包热管理模式。受箱体内布置空间限制，将流道设计于底板内部，流道主体分为两个一进一出的C形独立区域。进出口流道宽度比设置为2:3，提高进水口处的冷却液流速，同时增大出水口处流道的换热面积，以提升电池包整体的换热效率和均匀性。

从结构的承载能力出发，底板内部掏空的流道设计一方面通过结构的空腔效应增强了电池包的动态性能，当电池包发生跌落意外时，空腔结构的抗压性能和大应力变形吸能效应可以保护电池抵抗外部冲击。另一方面也削弱了底板位置的静态性能，伴随着流道内有效材料厚度的减薄，其刚度也随之下降。针对上述缺陷，将流道左右两侧的隔板设计为裙式截面结构来提高底板的水平弯曲刚度。
改进设计后，最终得到的设计方案如图4所示。新款电池包材料选用导热性能较好的轻质6系铝合金，通过模块化设计方法，将箱体的结构件分割为多组设计单元。针对铝合金材料，选用搅拌摩擦焊完成各单元的拼焊，此连接方式有效保留了位置80%的材料性能，避免了局部应力集中的失效。新结构保留了原设计的连接定位关系，使其质量下降为44.93kg，完成整体28.9%的轻量化设计。

2静力学分析及拓扑优化

2.1电池包有限元模型的建立
依据相关建模标准，在有限元仿真软件Hy-perMesh中建立有限元模型，如图5所示。整体采用四边形壳单元划分；考虑到电池包内部整体载荷较小，不足以导致焊点连接失效的发生，通过合并单元和6自由度全约束刚性连接RIGID模拟部件间的连接。得到82026个单元和79793个节点的电池包模型，材料选用6061高强度铝合金。

2.2静力学仿真分析
电动汽车在实际行驶过程中经历的路面状况通常非常复杂!想要精确模拟汽车在路面行驶过程中的受载情况是不符合实际的)电池包在随电动汽车行驶过程中所受载荷源自于汽车制动(转弯和颠簸等状况下电池包内部电池模组晃动对周围结构所产生的较大惯性冲击力以及汽车在凹凸不平的路况下，因不同侧轮胎悬空或被抬高而产生的扭转作用力。所以在研究电池包静态性能时，为凸显电池包的应力分布与位移变化，应选取几种较为典型的极端工况进行分析。结合电动汽车NVH试验和车辆行驶工况仿真经验，本文选用颠簸路面下的急刹车、急转弯和凹凸路面上的扭转3种工况进行研究，具体加载情况如表1所示。由于仅考虑结构的静态特性，分析时适当忽略包内电池模组的动力学响应特征，将3种工况下模组对周围件的加载直接建立在简化模型中，如图6所示。

经CAE仿真分析，获得电池包的静力学分析结果，如表2所示。不难看出，3种极端工况下电池包的最大应力仅为22.53MPa，远小于6061高强度铝合金的屈服极限141MPa，最大位移为0.611mm，也小于各密封件间的相对位移精度要求。从后期生产制造的成本角度出发，为避免新电池包刚度和强度上的过设计因素，引入拓扑优化设计完成对结构的减材处理。

2.3电池包多工况拓扑优化
拓扑优化是根据受载结构内部的传力路径，在既定设计区域内寻找最佳材料分布的设计方法，本文在Optistruct分析软件中通过拓扑优化方法求解多工况下新电池包的最佳结构布置形式并完成整体的轻量化设计。电池包内部的底板及冷却液流道、外部的结构件和覆盖件因为其密封性的要求无法进行挖孔等减材处理，所以本次优化仅在电池包内部加强筋部分进行。在各工况载荷与约束下，以最大应力和最大位移为约束函数，求解保证适当强度条件下的最小质量解。优化数学模型如下：

式中：n为单元数；m（xi）为电池包整体质量；xi为变密度法计算下第i个单元的密度；vi为第i个单元的体积；和sk，max分别为第k工况下结构的最大应力和最大应变量。
33次迭代后得到的加强筋拓扑优化结果如图7所示。模型展示了静态多工况下最优解的结构布置情况，按照设计结果进行挖孔处理后，电池包总重量减少0.108kg，仅减重0.27%，因此需要进行尺寸优化对电池包进行进一步轻量化设计。

3基于Isight的尺寸优化设计

Isight是一套可整合设计流程中所使用的各项软件工具，并自动进行最佳优化设计的软件系统平台，它提供了试验设计方法与多种先进优化算法，本文将结合拓扑优化的结果和相关设计要求在Isight软件中完成电池包的尺寸优化设计。尺寸优化也称作参数化优化技术，可以对有限元模型的板件厚度、
截面尺寸以及材料特性等参数进行优化本文选用模型各部件厚度为设计变量，以轻量化为目标，在保证整体刚强度要求的前提下，进行尺寸优化设计，优化流程如图8所示。

3.1灵敏度分析
针对一个模型或系统的状态变化对参数变化的敏感程度的研究称为灵敏度分析，在优化方法中通过灵敏度分析可以区分出各参数对系统或模型的影响大小。所以在优化设计前，先引入电池包除底板（含流道）外的整体灵敏度分析，由分析结果筛选出合适变量进行后续试验设计。根据灵敏度分析结果（表3），盖板是电池包质量的最主要影响因子，也是之后尺寸优化的主要位置，而边框其次；吊耳和4号加强筋对总质量的贡献较小，将作为次要量参与试验设计；剩余3部分加强筋由于其影响因子过小予以忽略。得到尺寸优化变量如下：边框板厚X1、盖板厚X2、吊耳板厚X3和4号加强筋板厚X4。

3.2最优拉丁超立方选点
Isight中的试验设计方法提供了合理有效的获得信息数据的方法。在本次试验中选用最优拉丁超立方设计方法筛选试验点，相比于随机拉丁超立方设计，此设计在选择试验点时更加均匀，从而使得因子与响应的拟合更为精确和真实。结合近似建模中的试验样本数量要求，本次试验选用24个样本点作为试验因子参与设计，如表4所示。

3.3近似建模
通过数学模型近似逼近输入变量与输出变量的方法称为近似建模方法本次试验选用响应面方法，利用多项式函数模拟设计空间，选用三阶多项式拟合函数，得到Y1、Y2和Y3的拟合函数关系式分别如式(2)～式(4)所示：


3.4多目标尺寸优化
尺寸优化的设计目标需要建立在整体刚度合格的基础上!因此!需要在尺寸减薄过程中对最大变形量作必要约束。采用非支配排序遗传算法加速优化设计过程。以4个厚度尺寸为设计变量；质量和应力为目标函数，其优化加权比为0.6:0.4；以最大变形量为约束，根据密封件最大间隙要求设定最大变形量小于0.85mm，进行电池包整体的尺寸优化设计，得到多目标优化的数学模型：

3.5尺寸优化结果分析
去除所有坏点后得到4个设计变量的优化过程曲线，如图9所示，根据总体上4个设计变量共65组优化设计数据的单极与多极两种分布情况，本文将相应4种结构件在参数设计上进行归类分析。X2和X4的数据分布规律一致，将其归为一类；反之，将数据上多极分布的X1与X3归为另一类。

为更清晰地说明此两类部件在参数化设计中的区别，本文引入载荷比的概念，载荷比定义为部件载荷与初始质量之比，其中载荷数值取最大应力计算，各部件的载荷比如表5所示。

参数化优化中，盖板与加强筋的载荷比数值相对极小或极大，可以判断其优化数值分布也一定呈现出偏向最小/大值的单级分布规律。例如本文中的大质量件电池包盖板在3种极端工况下都不受直接载荷，且相邻部件传递的负荷也较小，载荷比仅为0.196，所以优化过程中的取值一致趋向于设定取值范围的最小值；反之在负责关键承力作用的后侧加强筋位置，高达44.490的载荷比也符合其朝设计域最大值分布的数值取向。
相对于上述两个设计件，边框和吊耳的载荷比位于数轴的中间区域，因为此种部件不仅受载情况严峻，且质量一般不大甚至偏小，所以在设计中需要反复权衡其减重与加强的利弊，才能求出综合最优解。本文中边框件的载荷与质量都较高，所以其载荷比较小，其单位减重对其刚度和承载能力的影响也较小，因此在优化中可以更偏向于减重设计，取多极数值中的偏小值；反之，吊耳为电池包与车身的关键连接件，需要承担电池包在垂向的全部静动态载荷，同时质量也较小，则其载荷比较高，单位质量对其刚度和承载能力的影响也较大，在优化中需要更多保留其原有结构和质量，且轻量化的意义不大，因此取多极数值中的偏大值更为合理。
图10展示了目标函数Y1、Y2和Y3在优化过程中的数值变化曲线。经比对可知，优化过程中最大应力Y2与最大变形量Y3的变化趋势基本趋于一致，这是因为这两项数值变化都与刚度提升成负相关；而总质量Y1的变化趋势相反，因为刚度提升是通过增加关键位置的材料堆叠实现的。综上所述，本次优化的中心任务就是在提升结构刚度与轻量化设计间完成折中设计，由加权计算结果可得，总体上3项数值都偏低的第19组数据为过程最优解。


4优化结果验证

结合铝合金板件加工的工艺要求，将优化后各板件的厚度尺寸圆整为：边框板厚X1取2.2mm、盖板厚X2取1.0mm、吊耳板厚X3取2.8mm以及4号加强筋板厚度X4取1.8mm。验证分析结果如图11所示，由图可知，优化后的结构最大应力小于45MPa，且最大位移小于1mm，电池包最大应力较优化前有所提高，但也仅为42.11MPa，远小于A16061高强度铝合金的屈服极限141MPa，最大增大至0.834mm，符合电池包密封件的间隙要求。
优化前后电池包各项性能对比如表6所示，优化后电池包整体质量下降至39.41kg，相较优化前减少了5.52kg，减重12.3%，在保证电池包良好性能的前提下，达成了轻量化设计目标。
新款电池包在车上的实际应用效果如图12所示。在后续试验中发现，优化后的电池包在实际生产中由于焊接等工艺因素的影响，导致整体减重比减小为10.9%，整车的续航里程从原180公里提升至200公里，且箱体结构性能良好。

5结论

(1)通过分析电池包在纯电动汽车行驶中的实际加载情况，选取3种极端工况建立近似仿真模型，提高了后续静力学分析和优化结果的可靠性。
(2)为避免结构性能和质量等多目标在优化设计中的失衡，采用全新设计-局部拓扑优化-全局尺寸优化的设计与优化顺序，以整体-局部-整体的设计思路，综合优化了电池包结构。
(3)根据结构在Isight中试验优化结果的单级与多极化的分布特征将结构件分类，并引入载荷比概念，分别论证了不同设计件在尺寸优化设计中的参数优化取值规律。
(4)优化后电池包减重12.3%，结构最大应力小于45MPa，且最大位移小于1mm。经试验验证，新电池包结构具有良好的安全与经济性能，相较老款结构，整车续航里程由180公里提升至200公里。

文章来源：湖南大学机械与运载工程学院汽车车身先进设计制造国家重点实验室