某电动汽车电池包强度仿真分析与优化

摘要：通过对某电动汽车电池包结构强度仿真分析，探测电池包强度薄弱区域，找出电池包在整车工况载荷下结构容易失效的风险点。通过电池包结构改进优化，消除电池包结构风险点，保证电池包及整车强度安全。

关键词：电池包;CAE;强度;失效

0 引言

新能源汽车、智能化汽车、互联网汽车是目前汽车发展的三大主流方向。据统计截至2017年，我国汽车保有量2.17亿辆，燃油汽车已成为能源消耗的主要领域，为解决能源危机，中国政府对新能源汽车发展高度重视并大力扶持。

汽车行驶时，路面的凹凸不平会使电池包受到振动载荷。电池包强度需要满足国家强制检测标准GB/T 31467.3-2015《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》，电池包要经受X/Y/Z三个方向机械冲击载荷试验。在工程设计阶段，若采用物理样机试验验证电池包结构强度破坏区域，开发周期不便于控制，经济成本也高。使用CAE技术可以把试验时间压缩至原来的十分之一甚至百分之一，大大降低了开发成本，缩短了开发周期[1]。当前，工程中常采用CAE技术进行电池包结构强度校核、改进，使开发周期和经济成本有利控制。本文基于电池包的原始结构，按照试验工况，首先进行CAE结构仿真分析，探测电池包易破坏的风险区域，对风险区域提出结构优化改进方案，保证电池包的机械强度安全。

1 电池包CAE分析流程及建模

1.1 CAE分析流程

CAE技术的核心思想是结构的离散化[2]。本文CAE分析流程如图1：

1.2建立有限元模型

（1）电池包三维模型处理

电池包的初始三维模型如图2所示：

（2）电池包三维模型几何清理

清理电池包模型干涉问题，去除电池包模型中的尖角、圆角等细微特征，避免出现网格划分精度及网格畸异造成仿真结果失真。

（3）电池包载荷类型

根据电池包国家强制检测标准GB/T 31467.3-2015《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》，电池包要进行机械冲击试验，因此电池包需要进行垂直Z方向3g，水平X方向4g及水平Y方向4g冲击载荷，如下表1所示。

（4）电池包材料参数

（5）电池包模型网格划分

电池包模型划分网格后如图3所示。网格模型单元总数：368759个，网格类型为六面体、四面体混合网格。

2 电池包仿真分析结果

2.1电池包在X向4g载荷工况下的分析结果

从图4～5可以看出，在X向4g载荷工况中，最大应力为330.3MPa，应力超过Q235A材料的屈服强度235MPa。应力主要集中在箱体两端挂耳处以及挂耳裂缝处。因此电池包结构不满足X向强度要求。

2.2电池包在Y向3g载荷工况下的分析结果

从图6可以看出，在Y向3g载荷工况中，最大应力为105.7MPa，应力未超过材料Q235A材料的屈服强度235MPa。应力主要集中在箱内侧边加強筋、箱体挂耳、箱内侧边与横向加强筋连接处。因此电池包满足Y向强度要求。

2.3电池包在Z向3g载荷工况下的分析结果

从图7可以看出，在Z向3g载荷工况中，最大应力为150.7MPa，应力未超过Q235A材料的屈服强度235MPa。电池包应力主要集中于模组挂耳、箱内加强筋、箱体挂耳处。箱体强度风险点位于箱外挂耳的裂缝处，有失效风险，需要进行结构改进优化。

2.4电池包结构优化设计及优化后的仿真结果

电池包应力破坏风险处为电池包挂耳，其原始设计模型与改进后模型如图8～9所示。

电池包优化设计后，电池包X向4g载荷下应力如图10所示。

从图10可以看出，经过电池包风险点挂耳处的结构优化设计，在X向4g载荷工况中，最大应力为168.8MPa，应力未超过Q235A材料的屈服强度235MPa。经过结构改进后的电池包结构满足强度要求，保证了电池包在整车道路行驶中的机械结构安全。

3 结论

电池包作为汽车的关键零部件，电池包的机械结构安全不仅关系到整车结构强度安全，更关系到乘客安全。电池包在整车使用时，会经受来自路面及行驶工况的载荷，通过CAE仿真技术手段在电池包产品设计的前期就能识别电池包结构的强度风险区域，并针对风险区域进行针对性的结构优化改进，缩短了产品开发周期，降低经济成本。目前新能源汽车发展迅速，CAE技术在电池包领域分析工作尚处于起步阶段，因此积极探索CAE技术在新能源汽车用电池包设计、研发、制造中应用十分有意义[3]。

参考文献：

[1]龙建云，夏长高。汽车零部件疲劳寿命虚拟试验研究[J].拖拉机与农用运输车，2012，37（2）：28-29.

[2]倪正顺，帅词俊.CAE方法中的优化技术及应用[J].现代机械，2002，37（2）：16-18.

[3]王丽娟.车用动力电池包结构CAE分析优化研究[D].南京理工大学.2014.

夏宇锋（1988.05—）、男、汉族、江西省上饶市、江西安驰新能源科技有限公司、硕士、复合材料CAE强度仿真方向。