摘 要: 目前純電動(dòng)汽車在汽車市場(chǎng)上占據(jù)了相當(dāng)多的一部分，純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車根本的區(qū) 別在于純電動(dòng)汽車采用電池包作為能量來源，目前使用最廣的電池包種類為鋰電池，但是目前鋰電池的生產(chǎn) 技術(shù)并不完善，電容量大的鋰電池相應(yīng)的其質(zhì)量和體積也大，因此對(duì)電池包結(jié)構(gòu)輕量化的研究有著重要的意 義。采用 soildworks 三維建模軟件建立一個(gè)鋰電池包的模型后，根據(jù)電池包的實(shí)際情況設(shè)置邊界條件，進(jìn)行 有限元分析，得出將汽車電池包輕量化的措施，對(duì)汽車電池包的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞: 電動(dòng)汽車; 電池包; 輕量化; 有限元

近幾年，我國(guó)電動(dòng)汽車的銷售市場(chǎng)在經(jīng)歷了穩(wěn) 定快速增長(zhǎng)的階段，2014—2015 年期間的增長(zhǎng)率達(dá) 到 100% ～ 300%［1］，2019 上半年的汽車保有量達(dá)到 了 344 萬 輛。汽車的質(zhì)量每減少 10% ，電 耗 下 降 5. 5% ，續(xù)航能力增加 5. 5%［2］，而電動(dòng)汽車的核心部 件則是電池包，占整車質(zhì)量的 30% ～ 40% ，因此減少 動(dòng)力電池包質(zhì)量是增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航歷程最主要也 是最高效的措施［3］。電池包箱體作為純電動(dòng)車輛電 池模組的承載體，在復(fù)雜路況條件下受到激勵(lì)、沖擊 和擠壓時(shí)可能會(huì)引起電池包的爆炸，因此其結(jié)構(gòu)是 否安全會(huì)直接影響到整車的安全性能［4］，電池包的 輕量化要基于電池包箱體結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)上進(jìn)行 設(shè)計(jì)。汽車電池包輕量化主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行 考慮: 結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化［5］，其中材料優(yōu)化方面有著重要的研究意義，如目前先進(jìn)的碳纖維材料，有著密度 低且剛度大的優(yōu)點(diǎn)［6］，如果在電池包的制造上使用， 可以極大地降低電池包的質(zhì)量，在安全的前提下達(dá) 到輕量化的目的。

GB /T 31467. 3-2015 文件中對(duì) 電 池 包 有 著 16 項(xiàng)安全測(cè)試要求［7］，其中抗壓性和抗振動(dòng)安全測(cè)試 占據(jù)主要部分，目前國(guó)際上對(duì)電池包的研究大多數(shù) 停留在電池的儲(chǔ)存量和體積大小，對(duì)電池的抗壓性 和抗振動(dòng)性的研究很少。本文采用 CAE 的手段， 利用 soildworks 三維建模軟件建立一個(gè)鋰電池包的 模型后，根據(jù)電池包的實(shí)際情況設(shè)置邊界條件( 夾 具，力) ，進(jìn)行有限元分析后，得出將汽車電池包輕 量化的措施，對(duì)汽車電池包的發(fā)展有著重要的指導(dǎo) 意義。

1 有限元模型建立

電池 包 的 有 限 元 模 型 建 立 是 根 據(jù) GB /T 31467. 3-2015 文件中的條件而進(jìn)行。本文所研究的 電池包以小型電動(dòng)汽車的電池包為例，按照現(xiàn)有的 電池包產(chǎn)品，利用 solidworks 三維建模軟件建立兩種 不同結(jié)構(gòu)的電池包模型，如圖 1 電池包三維模型所 示。圖 1( a) 電池包頂部設(shè)置有 3 根類似加強(qiáng)筋，圖 1( b) 電池包頂部則有 5 根類似加強(qiáng)筋，類似加強(qiáng)筋 的結(jié)構(gòu)在確保電池包受到汽車內(nèi)部零部件的壓力作 用時(shí)能夠有足夠的強(qiáng)度和剛度，避免外部的壓力使 得電池包內(nèi)部的電子元件受損。電池包的底部為平 整的平面，底部不設(shè)置類似加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的原因是在 電池包安放在電動(dòng)汽車底盤處時(shí)，保證電池包的良 好穩(wěn)定性，不會(huì)因汽車的振動(dòng)，電池包隨之振動(dòng)。類 似加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)在電池包頂部需設(shè)置均勻，保證受 到的壓力可以均勻分散，不會(huì)因?yàn)槟滁c(diǎn)壓力過大而 導(dǎo)致電池包破裂。

1.1 有限元網(wǎng)格以及邊界條件

新能源電動(dòng)汽車電池包采用一體化整包設(shè)計(jì)， IP67 密封，電池包分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi) 部主要為有電池管理系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，可有效 保護(hù)電池包安全。外部為一些高剛度、高硬度的殼 體，可有效地保護(hù)電池包內(nèi)部元件。電池包內(nèi)部元 件在電池包中地占比較大，本文的 CAE 仿真研究 中，為了簡(jiǎn)化三維模型的構(gòu)建和減少仿真的運(yùn)算時(shí) 間，將內(nèi)部的電子元件整合成一個(gè)整體，采用六面體 實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，外部的殼體采用殼網(wǎng)格進(jìn)行劃 分，這樣能夠保證在仿真的過程中外部的力可以透 過表面對(duì)內(nèi)部進(jìn)行作用。

1.2 邊界條件設(shè)置

Solidworks 的 simulate 功能需要設(shè)置外載荷和夾 具，連結(jié)等邊界條件。在已有的對(duì)電池包有限元仿 真相關(guān)研究中，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)采用的是一體化網(wǎng)格， 并沒有區(qū)別電池包內(nèi)部和外部，這樣就導(dǎo)致內(nèi)部與 外部的網(wǎng)格類型相同，在仿真的過程中，其真實(shí)性會(huì) 大打折扣，因此本文在三維的時(shí)候，盡可能地貼近電 池包真實(shí)的結(jié)構(gòu)，所以按照外部殼和內(nèi)部固體元件 的方式進(jìn)行建模。外部殼體底部安放在電動(dòng)汽車的 底盤上，因此夾具需要設(shè)置在電池包底部的殼體上， 將殼體進(jìn)行幾何體約束，模擬其被固定在底盤電池 包安裝槽處。上部殼體與下部殼體在實(shí)際情況下通 常采用上下焊接，在 CAE 仿真中，并沒有焊接的選 項(xiàng)，在仿真研究的過程中，劃分網(wǎng)格之后，采用剛性 連接來模擬焊接。由于電池包的結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，為 六面體，因此使用標(biāo)準(zhǔn)的六面體網(wǎng)格即可以進(jìn)行劃 分，為了使仿真的結(jié)果更加貼合實(shí)際，盡可能地將網(wǎng) 格的體積縮小，使電池包三維模型可以劃分成更多 的網(wǎng)格，再受力的時(shí)候，可能更加準(zhǔn)確的仿真出電池 包每個(gè)點(diǎn)的受力情況。電池包外殼的材料為 PP 均 聚物( 彈性模量 1. 73e + 9 N/m2，泊松比默認(rèn)為 0，壓 縮強(qiáng)度 3. 93 × 107 N/m2，質(zhì)量密度 933 kg /m3 ) 。

1.3 網(wǎng)格劃分

為了使仿真的過程簡(jiǎn)化，將電池包看成內(nèi)部實(shí) 體和外部殼體兩部分，殼體需采用有厚度的殼網(wǎng)格， 若采用實(shí)體網(wǎng)格，可能會(huì)在仿真的過程中造成計(jì)算 機(jī)計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤的概率加大。由于殼體表面曲面較 多，若采用標(biāo)準(zhǔn)的六面體網(wǎng)格，則會(huì)造成六面體網(wǎng)格 劃分出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此采用基于曲率的六面體網(wǎng)格進(jìn) 行劃分，而內(nèi)部實(shí)體網(wǎng)格，因形狀較為規(guī)整，所以采 用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格，網(wǎng)格的質(zhì)量選用良好這一標(biāo)準(zhǔn)，最大 六面體網(wǎng)格的最大邊長(zhǎng)設(shè)定為 1. 231 cm，最小六面體網(wǎng)格的最小邊長(zhǎng)設(shè)定為 0. 321 cm，單元大小增長(zhǎng) 比率為 1. 3，如圖 2，兩種結(jié)構(gòu)的電池包網(wǎng)格劃分圖 所示。

2 電池包受力分析

電池包在汽車靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，除了電池包底部受 到支撐力外，其他地方通常不受到外力的作用，因此 本文主要研究的是汽車在行進(jìn)過程中或者發(fā)生汽車 碰撞事故中，電池包的受力情況，以便于在輕量化后 能夠檢測(cè)電池包的安全穩(wěn)定性。汽車在發(fā)生碰撞 時(shí)，由于汽車的固有慣性作用，電池包會(huì)朝著汽車前 進(jìn)的方向移動(dòng)，因此電池包的側(cè)面將會(huì)受力很大的 擠壓作用力。除碰撞的情況外，當(dāng)汽車駛過較不平 整的路段時(shí)，汽車內(nèi)部的部件可能會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其 他零部件對(duì)電池包的頂部造成擠壓。本文基于此兩 種電池包可能受到損傷的實(shí)際情況展開有限元分 析，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)使電池包輕量化的同時(shí)，要保證其不 會(huì)受到外界的較強(qiáng)破壞。

3 仿真結(jié)果

3.1 側(cè)面碰撞抗壓仿真

本仿真實(shí)驗(yàn)的擠壓力來自于 1 t 的電動(dòng)汽車以 60 km /h 的速度行駛，在 2 s 內(nèi)從 60 km /h 的速度降 低到 0 的加速度計(jì)算，擠壓力大約為 8 300 N，如圖 3 所示，當(dāng)電池包收到側(cè)面的擠壓作用力時(shí)，電池包頂 部的類似加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)并沒有起到實(shí)際的作用，側(cè)面 最大位移為 4. 008e － 01 mm，幾乎等于受到擠壓變 形，因此在汽車以 8. 33 m /s2 的加速度進(jìn)行制動(dòng)時(shí)， 汽車其他零部件對(duì)于電池包側(cè)面的抗壓對(duì)電池包內(nèi) 部的元件造成的損害較小。

3.2 頂部擠壓仿真實(shí)驗(yàn)

如圖 4 所示，圖 4( a) 和圖 4( b) 均為頂部受到 3 000 N的電池包位移云圖，圖 4( b) 比圖 4( a) 在頂 部外殼上減少了 2 個(gè)類似加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，圖 4( a) 頂 部位移最大為 4. 61e － 02 mm，而圖 4( b) 頂部位移最 大為1. 335e － 01 mm，雖然減少了類似加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu) 后，頂部受到的凹陷程度加大，但相比于電池包的整 體尺寸，其頂部最大位移可以忽略不計(jì)。電池包在 對(duì)外殼的機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化后，其抗壓強(qiáng)度的減小并不 明顯，但對(duì)電池包輕量化有著很重要的意義。

4 電池包輕量化

隨著目前消費(fèi)者對(duì)新能源汽車的續(xù)航能力要求越來越高，電池包的優(yōu)化在新能源電動(dòng)汽車中占據(jù) 了很重要的地位，電池電量需求的增大，隨之帶來的 是電池包體積的增大和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，在電動(dòng)汽車電 池包的優(yōu)化方案中，除了材料的優(yōu)化，比較鋼制的電 池箱體能夠減重 30% 以上，相較于鋁壓鑄電池箱體 而言能夠成型更大尺寸的電池箱體，適應(yīng)較大的電 池容量［8］，除此之外的方案則是本文所研究討論的 對(duì)電池包結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化雖然沒有材料優(yōu)化 對(duì)電池包輕量化產(chǎn)生的效果顯著，而且與國(guó)外的有 一定差距［9］，但是對(duì)于材料的研究，結(jié)構(gòu)優(yōu)化在輕量 化的實(shí)現(xiàn)上更加簡(jiǎn)單［10 － 12］。

5 總結(jié)

目前鋰電池的生產(chǎn)技術(shù)并不完善，電容量大的 鋰電池相應(yīng)的其質(zhì)量和體積也大，因此對(duì)電池包結(jié)構(gòu)輕量化的研究有著重要的意義。本文采用 soild- works 三維建模軟件建立一個(gè)鋰電池包的模型后，根 據(jù)電池包的實(shí)際情況設(shè)置邊界條件，進(jìn)行有限元分析，得出如何汽車電池包輕量化的措施，對(duì)汽車電池 包的實(shí)用性和安全性發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。