动力电池铝合金箱体设计优化

引  言

有研究表明，通过将动力电池下箱体材质由钢材更换为铝合金，可以有效降低下箱体重量，减重40%。然而铝合金材质的屈服强度低于高强度钢，如何在轻量化的前提下，保证动力电池的机械强度、可靠性及耐久性，成为一个急需探索的课题。
本文提出一种动力电池铝合金箱体设计方案，并进行结构优化设计，开展结构仿真分析，同时对不同优化方案的铝合金箱体实物进行整包成组，按照国家标准进行振动测试，进一步验证优化方案的可行性。

1  动力电池箱体设计



动力电池箱体（如图1）作为动力电池系统中最重要的结构承重件之一，需要支撑动力电池模组、热管理系统、电池管理系统、电气元件的固定，承担动力电池系统包含箱体自身的重量，并将动力电池系统固定在整车上，抵挡外部的冲击。与箱盖配合对动力电池进行保护，起到防尘防水功能，达到IP67防护要求。



本文中动力电池铝合金箱体主要由底板、边框和吊耳三个部分组成，如图2所示。底板与边框通过搅拌摩擦焊和弧焊连接，吊耳与边框通过弧焊连接。

底板一共由9块铝合金型材组成，型材之间分别通过上下两面搅拌摩擦焊焊接。型材采用上下两层铝合金板复合结构，在上下层之间增加了较多加强筋，以此增加底板的支撑强度，板材的厚度为1.5mm～3mm。并设置了螺纹孔安装点，用于固定动力电池模组及电池管理系统、手动维修开关等的固定支架。吊耳和边框同样设计了与底板类似的型材腔体，通过挤压模具完成生产制造，挤压模具如图3所示。箱体底板型材腔体截面如图4所示。然后根据设计的形状进行铣削。吊耳上设计了通孔，用于将动力电池固定在整车上。


2  动力电池仿真

2.1  仿真工况

为了准确地模拟动力电池箱体的受力情况，分析动力电池箱体的强度，所以将动力电池模组、支架、上盖等零部件与箱体集成一个整体，建立有限元模型，如图5所示，进行仿

真分析。动力电池系统设计总质量为400kg，仿真工况选择对动力电池结构强度、疲劳耐久要求较高的随机振动工况。具体振动仿真过程按GB/T31467.3—2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法：

（1）参考动力电池在车辆上的安装位置和GB/T2423.43的要求。

（2）振动测试在三个方向上进行，测试从Z轴开始，然后是Y轴，最后是X轴。

（3）随机振动的测试条件按GB/T31467.3－2015，如表1的PSD数据所示。



仿真涉及的箱体、上盖及模组支架的材料物理性能参数如表2所示：




2.2  仿真结果

振动仿真结果显示动力电池包模态在XYZ三个方向模态均大于35Hz，电池箱体最大应力68.25MPa，仿真满足要求。

可以开展下一步振动测试进行验证。具体仿真模态及应力结果如表3所示：









2.3  振动测试

根据振动仿真结果，开展振动测试进行验证，对比实际测试与仿真结果的差异。由于电池包模态为固有频率，可以先通过一次振动扫频得出实际模态值，进行振动测试预判。扫频试验条件详见表4。在振动试验台上安装固定振动工装，然后将动力电池包总成固定在振动工装上，接着开展振动扫频测试，见图10所示。


振动扫频测试结果显示，动力电池包的Z方向实际一阶模态只有27.06Hz，与仿真结果43.93Hz差异较大，且低于设计要求35Hz，预判电池包可能会在振动测试中出现失效。为了验证这一判断，仍按原计划开展Z方向12小时随机振动和1小时定频振动。振动约3.5小时后电池包出现异常噪声，并且随着振动持续进行，异响不断加剧。判断电池包已经出现结构破坏，所以停止试验，此时上位机显示电池包内部有两个模组温度偏高及电压偏低，温差为13℃，压差为415mV。正负极绝缘阻抗为0。从振动台上拆下电池包，并拆开电池包上盖进行检查。发现模组紧固螺栓部分松脱，部分存在断裂情况，模组安装位置有明显的碰撞痕迹，如图11所示。



结合测试结果分析，动力电池包模态过低，实际测试值只有27.06Hz（如图12所示），整体结构强度不足，特别是电池包的主要承重件铝合金箱体强度不足，导致振动失效。需评估铝合金箱体的加强改善方案。

3  箱体改善方案

3.1  改善方案一


在动力电池铝合金箱体上增加4根横梁，利用模组之间的间隙，连接底板与边框，横梁可以焊接在底板上，也可以与底板一体挤压成型，如图13、图14所示。理论上可以增加箱体整体的结构强度，进而增加动力电池包的结构强度。按以往项目经验及仿真结果，Z方向振动相比XY方向要求更严苛，所以重点关注Z方向振动仿真及测试结果。按加强方案开展仿真分析，评估能否改善以及可以改善提高的程度。并且基于首次仿真跟实际测试差距较大的问题，对仿真模型进行优化调整，更接近实际状态。增加横梁后的电池包仿真一阶模态值为35.3Hz，满足大于35Hz的要求，如图15所示。


为了评估实际改善提高的程度并验证仿真结果，按增加横梁的方案制作铝合金箱体样品，如图16铝合金箱体实物图所示。组装成动力电池包总成开展振动测试。依然是先开展一次振动扫频，得出实际一阶模态值为32.87Hz，如图17所示。与仿真计算值比较接近，比未增加横梁的方案模态高5.81Hz，改善明显。然后按国标开展振动测试，振动测试无泄漏、外壳破裂、起火或爆炸现象。试验后的绝缘电阻值不小于100Ω/V，结果通过。



该改善方案通过在动力电池铝合金箱体上增加4根横梁，来提高铝合金箱体的强度。需要占用电池包内部的布置空间。内部布置空间余量较大的电池包增加横梁可以提高空间利用率，但布置过于紧凑的电池包可能无法实行该方案，需要提前预留横梁的布置空间。

3.2  改善方案二

动力电池铝合金箱体中底板为主要的受力承重部分，通过增加底板的总厚度，增加厚度9mm，理论上可以增加铝合金箱体的强度。底板的型材材质厚度保持不变，增加型腔的高度，同时提高底板上模组安装孔的位置，如图18、图19所示。依然是开展仿真分析，评估能否改善以及可以改善提高的程度。电池包仿真一阶模态值为41.1Hz，满足大于35Hz的要求，如图20所示。



为了评估实际改善提高的程度并验证仿真结果，按底板增加总厚度的方案制作铝合金箱体样品，组装成动力电池包总成开展振动测试。依然是先开展一次振动扫频，得出实际Z方向一阶模态值为39.08Hz，如图21所示。与仿真计算值比较接近，比底板加厚前的方案模态高12.02Hz，改善明显。然后按国标开展振动测试，振动测试无泄漏、外壳破裂、起火或爆炸现象。试验后的绝缘电阻值不小于100Ω/V，结果通过。



增加铝合金箱体底板的厚度虽然可以改善提高箱体的结构强度，但增加厚度意味着需要占用更多整车的布置空间，由于整车布置一般比较紧凑，增加Z方向高度往往只能通过降低整车离地间隙来完成，会减弱整车的行驶通过性。
汇总两种改善方案及改善结果如表5所示。两种改善方案均能有效改善提高动力电池系统的整体强度。但两种改善方案对整车布置及动力电池内部布置设计提出了不同的需求。如若动力电池内部布置余量较大可以考虑方案一，整车布置动力电池高度空间较多可以考虑方案二，甚至可以同时实施两种方案。



4  结束语

动力电池箱体作为动力电池系统中最重要的结构承重件之一，其结构强度直接影响动力电池系统的整体强度。在铝合金材质替代钢铁材质电池箱体的轻量化过程中，提出一种动力电池铝合金箱体设计方案，进行仿真分析和振动测试验证，发现其无法满足设计要求。然后提出两种结构设计优化思路，并按相同工况要求进行仿真分析和振动测试验证，结果显示，两种改善方案均能有效改善和提高动力电池系统的整体强度。对比钢铁材质电池箱体重量58kg，改善后铝合金电池箱体最大重量为39kg，减重约32.8%，轻量化效果明显。可以为动力电池铝合金箱体结构设计提供参考。但两种改善方案对整车布置及动力电池内部布置设计提出了不同的需求，方案设计需结合实际情况进行综合评估选用。