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纯电动汽车铝合金电池箱结构优化设计

日期:2020-08-24    来源:电源技术

国际新能源网

2020
08/24
14:44
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关键词: 动力电池 电动汽车 电池模块

本文分别对动力电池组的箱体进行结构静力学分析、模态分析和振动试验分析。

动力电池箱作为电动汽车承载动力电池的装置,起到保护动力电池的作用,是电动汽车的重要组成部分。对纯电动车而言,动力电池为全车提供动力,其性能的好坏对整车性能有巨大的影响。当前车载电池主要存在能量密度偏低的问题,无法满足电动汽车的设计,为提高电动汽车的续航里程,满足用户长距离驾驶的需求,电动汽车必需装备大量的动力电池。这导致电池组质量较大,电池箱需要承受较大载荷,降低驾驶安全性和可靠性[1-3]。

由于电池箱实际工作工况较为复杂,基于计算机辅助工程(CAE)的仿真研究是电池箱结构的主要研究方式,有研究[4]采用ANSYS对电力混合动力汽车电池组的箱体结构进行了工况环境下温度场模拟,并评估其安全性和可靠性;Kulkani等[5]采用芳纶蜂窝状结构进行电池箱建模,发现这种结构能够提高箱体承受冲击载荷的能力;Choi等[6]将碳纤维-玻璃纤维复合材料应用到电池箱体中,虽然整体的密度和抗冲击强度会增加,但是拉伸和弯曲性能明显下降。

当前,国内外针对纯电动汽车电池模块的研究重点集中在电池热管理、新材料使用、安全策略等方面,而对电池箱在复杂工况下的服役和失效研究内容较少[7]。因此,本文将针对电动汽车的电池箱体展开研究;首先根据国家和行业标准中关于安全和环保的相关标准建立模型,其次进行结构静力学和动力学研究,找出复杂工况下易发生失效的位置,最后根据失效分析结果,对动力电池组关键结构组件进行优化,并获得最佳结构设计方案。

电池箱结构设计

考虑到结构的稳定性,当前行业中电池箱制造中普遍采用低合金高强钢框架和强韧性复合材料面板拼焊而成,但存在质量过重和能源浪费,因此,在满足整体刚度的情况下,为了进行材料轻量化设计,本文首次尝试采用低密度高强度的5052铝合金,其屈强比达到0.7。

为了匹配动力电池组,采用边框式箱型结构,能实现200组3.2 V动力电池单元串联,设计理论比能量为120 Wh/kg。结构设计要充分考虑车辆运行过程中的安全系数,包括复杂工况下的强度和形变、电池箱系统的热管理、电池箱对驾驶舱及乘客的挤压等因素;电池箱框架尺寸为3 200 mm×2 300 mm×200 mm,主要由顶盖、底座、侧围、横梁和托架组成,各个部件间通过搅拌摩擦焊实现连接,如图1所示。

电池箱ANSYS仿真分析

2.1 网格划分

将几何清理过的模型导入ANSYS模块中进行网格划分,由于电池箱模型主要由铝合金板料冲压而成,各个部件形状不一,有比较规则的部件,如底板、侧围、横梁等;也有一些不规则的部件,如托架和底座。另外,对应力集中区域应该进行网格细化,图2(b)所示为螺栓孔网格,不同部件网格之间需要创建连接点,以便在添加载荷后,载荷能够在各部件之间传递,更加符合实际载荷的加载情况。

2.2 结构静力学分析

为满足不同用户的需求,电动汽车需要在许多不同工况的路面下正常行驶,这就要求电池箱在这些工况下都能承受静态载荷。考虑到电动汽车所行驶的工况非常多,不可能一一进行仿真分析,本文对电动汽车行驶在两种极限工况下,电池箱所承受的静态载荷进行仿真分析,两种工况分别为:路面颠簸加紧急制动与路面颠簸加急转弯。

按照《QC/T413(2002)汽车电气设备基本技术条件》和《电动车用动力蓄电池组性能和安全测试规范》[7-8]的规定,对于实际工况进行如下模拟处理:路面颠簸时,取冲击加速度为20 m/s?,方向向上;急刹车时,取冲击加速度为10 m/s?,方向指向车后;急转弯时,取冲击加速度为4 m/s?,方向指向转弯侧。

由于本文进行的模拟均采用线性材料模型,因此加载工况后,其产生屈服时的应力大小为临界屈服强度,材料的具体属性如表1所示,5052铝合金约在245 MPa发生小变量塑形变形(屈服)。

2.2.1 路面颠簸加急刹车

电动汽车在路面颠簸加急刹车的情况下,电池箱的应力云图如图3(a)所示,在该工况下,电池箱的最大应力出现在托架的螺栓孔处,最大应力为26.739 MPa,远小于5052铝合金屈服强度,故该电池箱的结构能够承受这种极限工况。对应的变形云图如图3(b)所示,电池箱的最大变形处出现在顶盖上,这说明在顶盖上压出加强筋以增加顶盖的刚度和强度是非常有必要的,这能有效减小顶盖的变形,以免因顶盖变形量过大导致电池箱失效。

2.2.2 路面颠簸加急转弯

在路面颠簸加急转弯的情况下,电池箱的应力和应变云图分别如图4所示,该工况下电池箱受到的应力与路面颠簸加急刹车工况基本相似,最大应力也出现在托架的螺栓孔处,最大应力为70.128 MPa,远小于5052铝合金的屈服强度,故电池箱能够承受该工况。可见,该电池箱结构在两种极限工况下均满足形变要求。

2.3 电池箱模态分析

将电池箱的有限元模型导入到ANSYS的Modal模块中,对电池箱模态分析,得到前六阶电池箱的模态振型图,如图5所示。

电动汽车在运行时会产生激振,研究电池箱模态的目的之一就是为了使电池箱的模态频率避开激振频率。引起电池箱激振的振源主要有两种:(1)当车速为150 km/h时,经计算由此引起的激振频率为21 Hz,因此,电池箱的一阶频率应高于且避开21 Hz;(2)由电动汽车模拟台架试验所得到的激振频率为33 Hz,因此,电池箱的固有频率应避开这一频率区间。

由模态分析结果可知,第一阶频率为28.22 Hz,高于21 Hz,而电池箱的固有频率也都避开了33 Hz,故不会引起电池箱的共振,也不会导致电池箱结构失效,从而威胁乘客的安全。另外,由模态振型图可知,顶盖及部分侧围会发生弯曲,故在这些部位增加加强筋是十分有必要的,这样可以增加这些部位的强度,防止电池箱结构产生疲劳破坏,从而防止电池箱结构失效。

2.4 振动试验分析

根据电动汽车振动试验的相关规定[9],电池箱应该承受前后、左右、上下三个方向的定频振动试验,具体试验参数如表2所示。

2.4.1 前后方向(X轴方向)振动工况

在前后方向振动工况下,电池箱的整体、侧围以及底板的应力云图如图6所示,最大应力出现在电池箱顶盖两端、部分侧围及侧围拐角处,最大应力为162.54 MPa,低于顶盖材料5052铝合金245 MPa的屈服强度,这说明电池箱能够承受前后方向的振动工况。

侧围应力集中区域为电池箱前端拐角处,此处的应力集中导致侧围产生较大的变形,应力传递到顶盖上,导致顶盖相同区域出现应力集中,严重影响顶盖的使用寿命,因此,需要对侧围结构进行优化,加强侧围强度、刚度,也可以增加横梁分担应力,减小对顶盖的影响,从而增加顶盖的使用寿命。

底座的应力集中区域在底座与托架螺栓连接处,这些区域都是焊缝连接区域,在前后振动工况下,这些焊缝需要承受较大的载荷,这就要求焊接时严格控制焊接参数以获得最优焊接质量,防止产生焊接缺陷,影响焊缝性能。

2.4.2 左右方向(Y方向)振动工况

在左右方向振动工况下,电池箱的整体、侧围以及底板的应力云图如图7所示,与前后方向大致相同,但应力的数值较大,最大应力为293.4 MPa,高于5052铝合金的屈服强度245 MPa,处于危险状态,应力集中区域出现在焊接区域、螺栓连接处以及侧围拐角处,为保证电池箱整体的安全性,需要增加横梁减小其应力,增加焊缝强度以及螺栓连接的可靠性。

2.4.3 上下方向(Z方向)振动工况

电池箱在上下方向振动工况下,应力分布情况以及集中区域与前两种振动工况相似,应力集中区域出现在电池箱托架连接处,最大应力为61.68 MPa,这小于5052铝合金的屈服强度245 MPa,处于安全状态,为保证电池箱整体的安全性,需要增加横梁减小其应力,增加焊缝强度以及螺栓连接的可靠性。

电池箱结构优化

电池箱的顶盖虽然不是载荷的主要承受部位,但是根据仿真分析的结果可知,顶盖部分所受变形较大,而且容易引发共振,降低电池箱的使用性能和疲劳寿命,可以增加加强筋以增加顶盖的强度,提高其共振频率。图8为各部分优化后的三维模型。

下箱体是整个电池组主要承受载荷的部分,且根据仿真分析结果底板所受应力较大,并且侧围拐角处有应力集中,故可以在底板上增加加强筋,在部分侧围处增加加强筋,或是增加肋板,以增强整体的强度,如图8所示。

根据振动分析结果,在Y方向上托架处于危险状态,可以选择多增加一条横梁以增加整体强度,防止发生严重事故。图9为优化后的托架和电池箱体。

将上述优化处理后的结构导入ANSYS模型计算发现,电池顶盖、底板以及Y方向托架的最大应力值发生轻微偏移,应力分别降为189.56、103.9和144.05 MPa,分别小于结构优化前的最大应力值,远小于5052铝合金的屈服极限,因此电池箱在此工况条件下运行不会发生失效行为。

结      论

对电池箱进行ANSYS结构静强度分析后发现,在两种极限工况下,电池箱最大应力分别为26.739、70.128 MPa,均小于材料的屈服强度,且电池箱的最大变形出现在顶盖上。根据各阶模态分析可知,第一阶固有频率大于21 Hz,并且固有频率避开了33 Hz,不会导致电池箱的共振,从而不会导致电池箱发生失效。结构仿真结果显示,顶盖及部分侧围发生弯曲,电池箱的Y方向工况不能承受较大载荷;根据仿真结果对电池箱部分组件进行结构优化设计,针对优化后的结构进一步对该部位进行应力仿真计算,结果显示最大应力位置发生轻微偏移,三个位置屈服强度均小于材料本身的屈服强度极限245 MPa。


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