金 鑫 李 斌 王東輝 周丹桐 王 歡

遼寧忠旺集團(tuán)有限公司 遼寧遼陽 111003

1 設(shè)計背景

近年來,隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展及人們生活水平的顯著提高,汽車保有量急劇增加,對能源的依存度也越來越高,節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為世界各行業(yè),尤其是汽車工業(yè)目前發(fā)展所面臨的兩大難題。新能源汽車因其節(jié)能環(huán)保的特點得到人們的關(guān)注,并逐漸被大眾所認(rèn)可,其產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,已成為不可逆的趨勢。

電池作為新能源汽車的核心部件之一,有著舉足輕重的作用,其安全性尤為重要。電池的安全可靠性與自身的強(qiáng)度、抗沖擊性能有關(guān),車輛行駛時,如果電池的結(jié)構(gòu)件因強(qiáng)度不足發(fā)生斷裂,可能會造成其內(nèi)部發(fā)生短路,從而引起爆炸。

電池包作為電池的主要載體,在車身中不僅起到裝載電池的作用,同時保護(hù)電池在受外力撞擊時不會受到損傷,其結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求應(yīng)該滿足多變的運(yùn)行環(huán)境和行駛工況下的工作安全性和可靠性。所以,研發(fā)出具有高安全因數(shù)的電池包是新能源汽車的一個重要目標(biāo)。

2 方案設(shè)計

2.1 材料屬性

筆者設(shè)計的電池包下殼體材料選用6063-T6鋁合金,其密度為2.7 g/cm3,合金成分及屬性分別見表1、表2。所設(shè)計的鋁合金電池包下殼體具有質(zhì)量輕、開發(fā)周期短、使用壽命長、易加工成型、耐腐蝕、耐沖擊等特點。

表1 6063-T6合金成分

表2 6063-T6材料屬性

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電池包下殼體主要由左右邊梁、前后邊梁、中間隔板、底板四部分組成,輪廓尺寸為842 mm×636 mm×140 mm,質(zhì)量為16 kg,結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,中間隔板的設(shè)計主要用于分隔模組,便于電池包蓋板的安裝,以及起到增大冷卻面積、提升冷卻強(qiáng)度的作用。

圖1 電池包下殼體結(jié)構(gòu)

底板為對接結(jié)構(gòu),采用攪拌摩擦焊雙面焊接,接頭位置的寬度不小于軸肩寬度。邊梁與邊梁、邊梁與底板、中間隔板與底板均采用激光焊接工藝,優(yōu)點是焊接變形小,連接強(qiáng)度高,密封性好,能充分保證電池包符合IP67標(biāo)準(zhǔn)的密封要求。

2.3 型材斷面設(shè)計

筆者設(shè)計的電池包下殼體型材斷面數(shù)為四個,如圖2所示。其中,前后邊梁采用相同的斷面型材,左右邊梁采用相同的斷面型材,三塊底板及兩個中間隔板采用相同的斷面型材,可以有效減少模具的投入,節(jié)省開發(fā)費(fèi)用,縮短開發(fā)周期。此外,電池包下殼體采用集成液冷方式進(jìn)行冷卻,邊梁及底板可以作為冷卻通道。設(shè)計時采用多腔型材,既可以對電池包整體進(jìn)行減重,又可以增大冷卻面積,提高冷卻強(qiáng)度。

圖2 電池包下殼體型材斷面

3 仿真分析

電池包的機(jī)械安全性能主要包括承載,抗底部球擊、跌落、機(jī)械沖擊等。筆者以所設(shè)計的鋁合金電池包下殼體為研究對象,依據(jù)GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》,結(jié)合實際服役過程中的高發(fā)工況,利用仿真軟件進(jìn)行承載能力與擠壓仿真分析。

3.1 有限元模型

(1) 簡化結(jié)構(gòu)。對電池包下殼體進(jìn)行幾何簡化,將倒角、圓角、細(xì)微孔等對仿真模擬分析結(jié)果影響不大的加工特征去除。

(2) 劃分網(wǎng)格。根據(jù)電池包下殼體的結(jié)構(gòu)特點,對簡化后的模型采用Hypermesh軟件進(jìn)行抽中面、修補(bǔ)中面、分割面、劃分網(wǎng)格處理。選用殼單元建立有限元模型。采用剛性單元RBE2對焊點進(jìn)行模擬。建立的電池包有限元模型網(wǎng)格尺寸為8 mm,共有63 775個單元,其中四邊形單元63 200個,占總數(shù)的99%。

3.2 承載工況

電池包下殼體在200 kg質(zhì)量下沿重力方向施加3×9.8 m/s2加速度沖擊載荷,以驗證承載能力。

電池包下殼體的位移云圖如圖3所示,最大位移為0.22 mm。根據(jù)仿真結(jié)果,得到電池包下殼體左右邊梁受到的應(yīng)力最大,如圖4所示。應(yīng)力最大值為15.08 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度,滿足承載要求。

圖3 承載工況位移云圖

圖4 承載工況左右邊梁應(yīng)力分布

3.3 擠壓工況

使用半徑為75 mm的半圓柱體,圓柱體長度大于測試對象高度,但不超過1 m,分別沿汽車水平行駛方向X軸、垂直行駛方向Y軸對電池包下殼體進(jìn)行擠壓,即進(jìn)行橫向擠壓與縱向擠壓。擠壓力達(dá)到100 kN時或者變形量達(dá)到擠壓整體尺寸的30%時,停止擠壓。

試驗中,對擠壓圓柱體位移進(jìn)行限制,當(dāng)圓柱體位移量超過擠壓方向整體尺寸的30%時,停止擠壓。此時,擠壓力如果未達(dá)到100 kN,那么判定試驗不滿足要求。

橫向擠壓變形仿真結(jié)果如圖5所示,擠壓力位移曲線如圖6所示。在整個擠壓過程中,擠壓力都達(dá)不到100 kN,擠壓力第一峰值為79.3 kN,因此不滿足大于100 kN的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 橫向擠壓變形仿真結(jié)果

圖6 橫向擠壓擠壓力位移曲線

縱向擠壓變形仿真結(jié)果如圖7所示,擠壓力位移曲線如圖8所示。在整個擠壓過程中,擠壓力在位移為26.75 mm時達(dá)到100 kN,滿足大于100 kN的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 縱向擠壓變形仿真結(jié)果

圖8 縱向擠壓擠壓力位移曲線

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)仿真結(jié)果,縱向擠壓工況滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,橫向擠壓工況未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。對比分析得知,電池包下殼體在橫向,下殼體僅依靠左右邊梁的自身強(qiáng)度來抵抗橫向擠壓力,因此無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。筆者依據(jù)此情況,對現(xiàn)有設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化,如圖9所示。

圖9 電池包下殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在電池包下殼體內(nèi)部增加中間橫向隔板,總計六處,隔板采用多腔斷面6063鋁合金型材,在滿足強(qiáng)度的同時,可以減小電池包的整體質(zhì)量。新增型材斷面如圖10所示。電池包下殼體整體尺寸仍為842 mm×636 mm×140 mm,質(zhì)量增大至22.441 kg。

圖10 新增型材斷面

5 橫向擠壓分析

在第一中心點位置,電池包下殼體在擠壓過程中的變形如圖11所示,擠壓力位移曲線如圖12所示。在整個擠壓過程中,擠壓力在電池包下殼體位移為25.76 mm時達(dá)到100 kN,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第一中心點變形

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第一中心點擠壓力位移曲線

在第二中心點位置,電池包下殼體在擠壓過程中的變形如圖13所示,擠壓力位移曲線如圖14所示。在整個擠壓過程中,擠壓力在電池包下殼體位移為4.52 mm時達(dá)到100 kN,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖13 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第二中心點變形

圖14 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第二中心點擠壓力位移曲線

通過仿真分析可知,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可以滿足橫向擠壓工況下電池包下殼體的強(qiáng)度大于100 kN的標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語

筆者根據(jù)鋁合金材料質(zhì)量輕、易加工成型、耐腐蝕、耐沖擊等特點,設(shè)計開發(fā)了一款鋁合金電池包下殼體。采用6063鋁合金空腔擠壓型材,有效減小了電池包的整體質(zhì)量,達(dá)到輕量化的效果,間接提高了新能源汽車的續(xù)航里程。

鋁合金電池包下殼體經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,增加了中間橫向隔板。經(jīng)過仿真模擬分析,最終滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求和使用條件。