引  言

有研究表明，通過將動力電池下箱體材質由鋼材更換為鋁合金，可以有效降低下箱體重量，減重40%。然而鋁合金材質的屈服強度低于高強度鋼，如何在輕量化的前提下，保證動力電池的機械強度、可靠性及耐久性，成為一個急需探索的課題。
本文提出一種動力電池鋁合金箱體設計方案，并進行結構優(yōu)化設計，開展結構仿真分析，同時對不同優(yōu)化方案的鋁合金箱體實物進行整包成組，按照國家標準進行振動測試，進一步驗證優(yōu)化方案的可行性。

1  動力電池箱體設計



動力電池箱體（如圖1）作為動力電池系統(tǒng)中最重要的結構承重件之一，需要支撐動力電池模組、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、電氣元件的固定，承擔動力電池系統(tǒng)包含箱體自身的重量，并將動力電池系統(tǒng)固定在整車上，抵擋外部的沖擊。與箱蓋配合對動力電池進行保護，起到防塵防水功能，達到IP67防護要求。



本文中動力電池鋁合金箱體主要由底板、邊框和吊耳三個部分組成，如圖2所示。底板與邊框通過攪拌摩擦焊和弧焊連接，吊耳與邊框通過弧焊連接。

底板一共由9塊鋁合金型材組成，型材之間分別通過上下兩面攪拌摩擦焊焊接。型材采用上下兩層鋁合金板復合結構，在上下層之間增加了較多加強筋，以此增加底板的支撐強度，板材的厚度為1.5mm～3mm。并設置了螺紋孔安裝點，用于固定動力電池模組及電池管理系統(tǒng)、手動維修開關等的固定支架。吊耳和邊框同樣設計了與底板類似的型材腔體，通過擠壓模具完成生產制造，擠壓模具如圖3所示。箱體底板型材腔體截面如圖4所示。然后根據設計的形狀進行銑削。吊耳上設計了通孔，用于將動力電池固定在整車上。


2  動力電池仿真

2.1  仿真工況

為了準確地模擬動力電池箱體的受力情況，分析動力電池箱體的強度，所以將動力電池模組、支架、上蓋等零部件與箱體集成一個整體，建立有限元模型，如圖5所示，進行仿

真分析。動力電池系統(tǒng)設計總質量為400kg，仿真工況選擇對動力電池結構強度、疲勞耐久要求較高的隨機振動工況。具體振動仿真過程按GB/T31467.3—2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法：

（1）參考動力電池在車輛上的安裝位置和GB/T2423.43的要求。

（2）振動測試在三個方向上進行，測試從Z軸開始，然后是Y軸，最后是X軸。

（3）隨機振動的測試條件按GB/T31467.3－2015，如表1的PSD數據所示。



仿真涉及的箱體、上蓋及模組支架的材料物理性能參數如表2所示：




2.2  仿真結果

振動仿真結果顯示動力電池包模態(tài)在XYZ三個方向模態(tài)均大于35Hz，電池箱體最大應力68.25MPa，仿真滿足要求。

可以開展下一步振動測試進行驗證。具體仿真模態(tài)及應力結果如表3所示：









2.3  振動測試

根據振動仿真結果，開展振動測試進行驗證，對比實際測試與仿真結果的差異。由于電池包模態(tài)為固有頻率，可以先通過一次振動掃頻得出實際模態(tài)值，進行振動測試預判。掃頻試驗條件詳見表4。在振動試驗臺上安裝固定振動工裝，然后將動力電池包總成固定在振動工裝上，接著開展振動掃頻測試，見圖10所示。


振動掃頻測試結果顯示，動力電池包的Z方向實際一階模態(tài)只有27.06Hz，與仿真結果43.93Hz差異較大，且低于設計要求35Hz，預判電池包可能會在振動測試中出現(xiàn)失效。為了驗證這一判斷，仍按原計劃開展Z方向12小時隨機振動和1小時定頻振動。振動約3.5小時后電池包出現(xiàn)異常噪聲，并且隨著振動持續(xù)進行，異響不斷加劇。判斷電池包已經出現(xiàn)結構破壞，所以停止試驗，此時上位機顯示電池包內部有兩個模組溫度偏高及電壓偏低，溫差為13℃，壓差為415mV。正負極絕緣阻抗為0。從振動臺上拆下電池包，并拆開電池包上蓋進行檢查。發(fā)現(xiàn)模組緊固螺栓部分松脫，部分存在斷裂情況，模組安裝位置有明顯的碰撞痕跡，如圖11所示。



結合測試結果分析，動力電池包模態(tài)過低，實際測試值只有27.06Hz（如圖12所示），整體結構強度不足，特別是電池包的主要承重件鋁合金箱體強度不足，導致振動失效。需評估鋁合金箱體的加強改善方案。

3  箱體改善方案

3.1  改善方案一


在動力電池鋁合金箱體上增加4根橫梁，利用模組之間的間隙，連接底板與邊框，橫梁可以焊接在底板上，也可以與底板一體擠壓成型，如圖13、圖14所示。理論上可以增加箱體整體的結構強度，進而增加動力電池包的結構強度。按以往項目經驗及仿真結果，Z方向振動相比XY方向要求更嚴苛，所以重點關注Z方向振動仿真及測試結果。按加強方案開展仿真分析，評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實際測試差距較大的問題，對仿真模型進行優(yōu)化調整，更接近實際狀態(tài)。增加橫梁后的電池包仿真一階模態(tài)值為35.3Hz，滿足大于35Hz的要求，如圖15所示。


為了評估實際改善提高的程度并驗證仿真結果，按增加橫梁的方案制作鋁合金箱體樣品，如圖16鋁合金箱體實物圖所示。組裝成動力電池包總成開展振動測試。依然是先開展一次振動掃頻，得出實際一階模態(tài)值為32.87Hz，如圖17所示。與仿真計算值比較接近，比未增加橫梁的方案模態(tài)高5.81Hz，改善明顯。然后按國標開展振動測試，振動測試無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現(xiàn)象。試驗后的絕緣電阻值不小于100Ω/V，結果通過。



該改善方案通過在動力電池鋁合金箱體上增加4根橫梁，來提高鋁合金箱體的強度。需要占用電池包內部的布置空間。內部布置空間余量較大的電池包增加橫梁可以提高空間利用率，但布置過于緊湊的電池包可能無法實行該方案，需要提前預留橫梁的布置空間。

3.2  改善方案二

動力電池鋁合金箱體中底板為主要的受力承重部分，通過增加底板的總厚度，增加厚度9mm，理論上可以增加鋁合金箱體的強度。底板的型材材質厚度保持不變，增加型腔的高度，同時提高底板上模組安裝孔的位置，如圖18、圖19所示。依然是開展仿真分析，評估能否改善以及可以改善提高的程度。電池包仿真一階模態(tài)值為41.1Hz，滿足大于35Hz的要求，如圖20所示。



為了評估實際改善提高的程度并驗證仿真結果，按底板增加總厚度的方案制作鋁合金箱體樣品，組裝成動力電池包總成開展振動測試。依然是先開展一次振動掃頻，得出實際Z方向一階模態(tài)值為39.08Hz，如圖21所示。與仿真計算值比較接近，比底板加厚前的方案模態(tài)高12.02Hz，改善明顯。然后按國標開展振動測試，振動測試無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現(xiàn)象。試驗后的絕緣電阻值不小于100Ω/V，結果通過。



增加鋁合金箱體底板的厚度雖然可以改善提高箱體的結構強度，但增加厚度意味著需要占用更多整車的布置空間，由于整車布置一般比較緊湊，增加Z方向高度往往只能通過降低整車離地間隙來完成，會減弱整車的行駛通過性。
匯總兩種改善方案及改善結果如表5所示。兩種改善方案均能有效改善提高動力電池系統(tǒng)的整體強度。但兩種改善方案對整車布置及動力電池內部布置設計提出了不同的需求。如若動力電池內部布置余量較大可以考慮方案一，整車布置動力電池高度空間較多可以考慮方案二，甚至可以同時實施兩種方案。



4  結束語

動力電池箱體作為動力電池系統(tǒng)中最重要的結構承重件之一，其結構強度直接影響動力電池系統(tǒng)的整體強度。在鋁合金材質替代鋼鐵材質電池箱體的輕量化過程中，提出一種動力電池鋁合金箱體設計方案，進行仿真分析和振動測試驗證，發(fā)現(xiàn)其無法滿足設計要求。然后提出兩種結構設計優(yōu)化思路，并按相同工況要求進行仿真分析和振動測試驗證，結果顯示，兩種改善方案均能有效改善和提高動力電池系統(tǒng)的整體強度。對比鋼鐵材質電池箱體重量58kg，改善后鋁合金電池箱體最大重量為39kg，減重約32.8%，輕量化效果明顯。可以為動力電池鋁合金箱體結構設計提供參考。但兩種改善方案對整車布置及動力電池內部布置設計提出了不同的需求，方案設計需結合實際情況進行綜合評估選用。