高超 丁志友 高偉釗

（1.上海伊控動(dòng)力系統(tǒng)有限公司，上海 201804；2.上海迅仿工程技術(shù)有限公司，上海 201821）

主題詞：電池包 托盤 仿真 拓?fù)鋬?yōu)化

1 引言

隨著我國(guó)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的提出，環(huán)保的理念越來(lái)越深入人心，純電動(dòng)汽車也在交通中占有越來(lái)越重要的地位。王品健等研究表明電池包作為動(dòng)力電池的主要載體，在維護(hù)新能源汽車安全和防止外界沖擊方面起到關(guān)鍵的作用。為此，工信部在2020年發(fā)布了新的電池安全標(biāo)準(zhǔn)，GB 38031—2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》，規(guī)定了振動(dòng)、沖擊、模擬碰撞和擠壓等若干試驗(yàn)工況要求，以保證電池包在整車行駛過(guò)程中的安全性。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和研究人員對(duì)電池包進(jìn)行輕量化或者結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化，北京理工大學(xué)王露對(duì)電池包的箱體進(jìn)行了拓?fù)涞葍?yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在輕量化前提下的動(dòng)態(tài)剛度性能的提升。廣汽蔚來(lái)的楊楊等人研究了電動(dòng)汽車側(cè)柱狀對(duì)電池包的侵入影響，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使電池包側(cè)柱撞最大侵入量降低。

目前，電池包主要由鈑金上蓋和托盤總成組成。其中鈑金上蓋剛度較低，對(duì)整包結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)較小。托盤是安裝模組或者電芯的主要承載結(jié)構(gòu)，其剛度和強(qiáng)度對(duì)電池包的安全起到至關(guān)重要的作用，托盤下部安裝有底護(hù)板結(jié)構(gòu)。一種典型的電池包結(jié)構(gòu)件如圖1所示。

圖1 一個(gè)典型的電池包結(jié)構(gòu)組成位置

目前，電池包托盤多數(shù)采用鋁材料，擠壓或鑄造工藝，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更多地考慮空間和工藝的影響，對(duì)后期結(jié)構(gòu)法規(guī)性能只是通過(guò)后期CAE仿真和設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)劃（Design Verification Plan,DVP）進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在概念設(shè)計(jì)初期無(wú)法驗(yàn)證。

本文結(jié)合某純電動(dòng)汽車電池包的鑄造托盤結(jié)構(gòu)要求，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對(duì)電池包在前期概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了加強(qiáng)筋分布概念設(shè)計(jì)。在一定程度上輔助電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尋找到框架的最優(yōu)化材料分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和性能的平衡。

2 優(yōu)化理論

優(yōu)化設(shè)計(jì)需要具有設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)和約束條件這3要素。設(shè)計(jì)變量是在優(yōu)化過(guò)程中發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)。目標(biāo)函數(shù)就是要求的最佳設(shè)計(jì)性能，是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)的限制，是對(duì)設(shè)計(jì)變量和其它性能的要求。其數(shù)學(xué)模型通常用式（1）表示。

式（1）中，為維空間可行域下的的設(shè)計(jì)變量；()為目標(biāo)函數(shù)；h()為等式約束；g()為不等式約束。

式（1）中，設(shè)計(jì)變量可以是一組或多組基本參數(shù)。基本參數(shù)的性質(zhì)不同，所代表的設(shè)計(jì)內(nèi)容就不同。例如選取長(zhǎng)寬高或者厚度就是研究幾何尺寸和目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系，選取質(zhì)量、密度和速度就是研究物理參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系。

目標(biāo)函數(shù)一般為結(jié)構(gòu)的重量、體積、應(yīng)變和振動(dòng)頻率，目標(biāo)函數(shù)決定著結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向，設(shè)計(jì)變量會(huì)在可行域內(nèi)逐步向著目標(biāo)函數(shù)逼近，直到滿足目標(biāo)函數(shù)的要求后，停止迭代。

設(shè)計(jì)中，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)是從有限元分析中獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。設(shè)計(jì)變量則是根據(jù)優(yōu)化問(wèn)題的類型選擇不同的屬性，比如在拓?fù)鋬?yōu)化中，根據(jù)變密度法，設(shè)計(jì)變量為單元的密度。

在拓?fù)鋬?yōu)化中，優(yōu)化方法一般選擇最速下降法或序列二次規(guī)劃法，其原理是通過(guò)梯度計(jì)算尋優(yōu)方向進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在Genesis軟件中，會(huì)自動(dòng)選擇優(yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化計(jì)算。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 建模方法

我國(guó)在2020年發(fā)布了《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》，其中對(duì)于動(dòng)力電池包的各類機(jī)械性能提出了新的要求。符興鋒等提出擠壓試驗(yàn)和耐振試驗(yàn)是對(duì)托盤總成要求較高的試驗(yàn)工況。一般為了加快計(jì)算效率，在概念優(yōu)化設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)化為靜態(tài)強(qiáng)度工況進(jìn)行等效分析。

根據(jù)法規(guī)要求和工程經(jīng)驗(yàn)，選擇5種常見工況進(jìn)行分析，具體工況如表1所示。

利用仿真前處理軟件HyperMesh建立電池包托盤總成的仿真模型，該軟件對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格具有一定的優(yōu)勢(shì)。托盤材料牌號(hào)為鋁A356，材料參數(shù)如表2所示。

整體采用Tetras（四面體單元）進(jìn)行網(wǎng)格剖分，單元平均尺寸為5 mm，屬性為PSOLID類型。內(nèi)部的模組采用質(zhì)量點(diǎn)掛在在其重心位置表征質(zhì)量，建立的模型如圖2所示。

3.2 優(yōu)化方法

根據(jù)電池包托盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將部分鑄件加強(qiáng)筋區(qū)域填充變更為設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖3所示，正面共2個(gè)區(qū)域，反面共4個(gè)區(qū)域。

所以，優(yōu)化問(wèn)題可以描述為：

（1）設(shè)計(jì)變量：?jiǎn)卧刃芏龋芏确ǎ?/p>

（2）設(shè)計(jì)目標(biāo)：應(yīng)變能最??；

（3）設(shè)計(jì)約束：質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20%；

（4）制造約束：向起筋和對(duì)稱設(shè)計(jì)。

表1 工況參數(shù)表

表2 材料屬性參數(shù)

圖2 托盤結(jié)構(gòu)模型

經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到新方案材料分布如圖4所示。

從計(jì)算結(jié)果可以初步得到3點(diǎn)結(jié)論：

（1）前后吊耳到中間小縱梁應(yīng)盡量增加材料分布；

（2）中間橫梁的中部對(duì)整體剛度起到較大的作用；

（3）頭部吊耳和側(cè)前部吊耳之間應(yīng)增加材料連接。

圖3 局部加強(qiáng)筋填充變更設(shè)計(jì)區(qū)域

圖4 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果，結(jié)合工藝和美觀要求，重新建立優(yōu)化模型加強(qiáng)筋特征，如圖5所示。

圖5 局部?jī)?yōu)化方案

將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的局部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)形式與原始設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)節(jié)對(duì)比，如表3所示?？梢钥吹浇?jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后的設(shè)計(jì)不再是傳統(tǒng)框格形式，而是一種簡(jiǎn)潔仿生的點(diǎn)面結(jié)合形式，除滿足結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度要求外，還具有一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)美學(xué)。

3.3 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

分別計(jì)算原始模型和優(yōu)化模型的5種工況的剛度性能，將其進(jìn)行對(duì)比，整理如表4所示。

通過(guò)仿真結(jié)果可以看到，優(yōu)化方案形變?cè)谙驍D壓、向擠壓、向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)工況4個(gè)工況中均有一定程度的提升，僅在彎曲工況中則略有下降，整體性能提升明顯。計(jì)算對(duì)比2種方案的質(zhì)量，均為14.8 kg，2種方案在同一水平。

表3 材料屬性參數(shù)

通過(guò)加載載荷與變形之間的比值可以計(jì)算得到2種方案的剛度數(shù)據(jù)，整理并匯總剛度結(jié)果如表5所示。

從分析數(shù)據(jù)可以得到看到優(yōu)化方案平均剛度得到了超過(guò)2%的提升，最低提升為2.7%，最高提升了5.1%。

4 結(jié)論

通過(guò)Genesis軟件進(jìn)行動(dòng)力電池包托盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證其優(yōu)化效果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念階段考慮5種法規(guī)試驗(yàn)工況要求，對(duì)加強(qiáng)筋的部分可優(yōu)化空間內(nèi)的材料分布進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)在質(zhì)量沒(méi)有增加的情況下，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化改變材料分布，電池包托盤在平均剛度提升了2%以上。本文基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對(duì)電池包的結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)思路。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算，有利于了解托盤結(jié)構(gòu)的基本性能優(yōu)化空間，對(duì)下一步系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證和整車配套提供了保障，達(dá)到降本增效的目的。

表4 結(jié)果對(duì)比表

表5 剛度優(yōu)化結(jié)果匯總