引言

動(dòng)力電池包作為一個(gè)機(jī)械-電-熱耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，它的強(qiáng)度特性同時(shí)影響著電、熱和機(jī)械系統(tǒng)的安全與可靠性汽車在行駛過程中來自路面和其他外界的沖擊與激勵(lì)都將經(jīng)由車身與底板系統(tǒng)傳遞至電池包處，因此其靜動(dòng)態(tài)性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前針對(duì)電池包動(dòng)態(tài)特性的研究主要從結(jié)構(gòu)的自由或約束模態(tài)性能切入，研究結(jié)構(gòu)在激勵(lì)下的振動(dòng)特性并通過提升局部剛度以優(yōu)化模態(tài)性能，蘭鳳崇等基于單體等效力學(xué)參數(shù)與實(shí)際接觸連接條件提出了一種更精確的電池包復(fù)雜系統(tǒng)建模和分析方法。陳雨等通過對(duì)包內(nèi)電池單元?jiǎng)恿W(xué)精確建模，使電池包系統(tǒng)模態(tài)仿真結(jié)果相對(duì)誤差控制在5%以內(nèi)。在動(dòng)力電池包靜態(tài)性能提升與輕量化的研究中，目前的優(yōu)化設(shè)計(jì)手段主要包括：替換輕質(zhì)合金或復(fù)合材料以提升箱體外包件的強(qiáng)度密度；拓?fù)鋬?yōu)化或尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)減少非關(guān)鍵位置的材料堆疊；形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)增強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)剛度。例如HART-MANNM等通過形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)提升了電池包模態(tài)性能，并使用尺寸優(yōu)化完成原始結(jié)構(gòu)20%的輕量化設(shè)計(jì)；楊書建以某款DC03鋼制電池包頂板和底板的剛度性能為優(yōu)化目標(biāo)，以有限元設(shè)計(jì)方法成兩處位置的加強(qiáng)筋布置并提升其靜態(tài)性能。

上述針對(duì)電池包的研究多為其單一特性的優(yōu)化與驗(yàn)證，但是電池包作為一個(gè)集功能性與安全性為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，針對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究目前較少。本文針對(duì)某款汽車現(xiàn)用電池包結(jié)構(gòu)與輕量化設(shè)計(jì)上的不足，重新制定箱體底板、邊框和連接件部位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案；通過有限元仿真方法，建立新電池包模型并驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)性能，設(shè)計(jì)整體優(yōu)化策略；總結(jié)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的數(shù)值分布規(guī)律，引入載荷比（元素）輔助解釋各部件厚度尺寸優(yōu)化結(jié)果的取值趨向與原因；最后以仿真與實(shí)物驗(yàn)證證明設(shè)計(jì)與優(yōu)化的可行性。

1電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1原設(shè)計(jì)存在的問題
某款車型的原電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，主要部件包括頂蓋、下蓋、吊耳和內(nèi)部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)其中頂蓋和下蓋以及電池包整體與車體底盤使用螺栓連接方式鎖固，而加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)與吊耳部分皆通過焊接方式固定在電池包下蓋的內(nèi)外兩側(cè)。電池包結(jié)構(gòu)件均采用高強(qiáng)鋼沖壓成形，箱體空載總重63.23kg。根據(jù)原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出此設(shè)計(jì)存在的問題如下：原方案下蓋由高強(qiáng)鋼板一次沖壓剪裁成形，當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)碰或電池包遇到跌落等事故時(shí)，無法有效保護(hù)包內(nèi)電池模組的安全；電池包吊耳部分雖然通過板件的多次彎折增強(qiáng)了局部剛度，但是單層Z形鋼材的抗彎性能不高，在車輛的顛簸等垂向沖擊工況下，存在連接失效的風(fēng)險(xiǎn)；原設(shè)計(jì)通過空氣對(duì)流的自然散熱方式，電池包散熱量不足且電池模組溫升不均勻?？梢娫姵匕脑O(shè)計(jì)方案有缺陷，需要從電池包的安全和功能性出發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)以改善結(jié)構(gòu)、連接和散熱等問題。

1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方案
本文重新設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)后將原一體式下蓋拆分為邊框和底板兩部分，如圖2所示。動(dòng)力電池包的邊框件主要負(fù)責(zé)電池單元的側(cè)向防護(hù)，避免車輛在側(cè)碰事故中受側(cè)向侵入造成電池穿刺和損傷，從而導(dǎo)致起燃和爆炸等危險(xiǎn)和二次事故?；诔杀尽⒅圃祀y度和相關(guān)研究數(shù)據(jù)，新邊框設(shè)計(jì)選用側(cè)向剛度、抗彎性能和抗撞性能較高的三角形鏤空矩形管為設(shè)計(jì)單元。電池包連接件在靜態(tài)和顛簸等動(dòng)態(tài)工況中承受結(jié)構(gòu)整體的垂向加載和沖擊，因此吊耳部分選用抗彎性能較好的日字形截面，通過3層水平結(jié)構(gòu)共同承載的方式分?jǐn)偞瓜騽偠刃枨?，避免連接失效而造成的電池包跌落等風(fēng)險(xiǎn)。

與原—體式單層結(jié)構(gòu)不同，新電池包的底板由7塊設(shè)計(jì)單元拼焊而成，如圖3所示。考慮到老款風(fēng)冷設(shè)計(jì)導(dǎo)致的電池模組散熱缺陷，本文選用兩進(jìn)兩出串聯(lián)式液冷為電池包熱管理模式。受箱體內(nèi)布置空間限制，將流道設(shè)計(jì)于底板內(nèi)部，流道主體分為兩個(gè)一進(jìn)一出的C形獨(dú)立區(qū)域。進(jìn)出口流道寬度比設(shè)置為2:3，提高進(jìn)水口處的冷卻液流速，同時(shí)增大出水口處流道的換熱面積，以提升電池包整體的換熱效率和均勻性。

從結(jié)構(gòu)的承載能力出發(fā)，底板內(nèi)部掏空的流道設(shè)計(jì)一方面通過結(jié)構(gòu)的空腔效應(yīng)增強(qiáng)了電池包的動(dòng)態(tài)性能，當(dāng)電池包發(fā)生跌落意外時(shí)，空腔結(jié)構(gòu)的抗壓性能和大應(yīng)力變形吸能效應(yīng)可以保護(hù)電池抵抗外部沖擊。另一方面也削弱了底板位置的靜態(tài)性能，伴隨著流道內(nèi)有效材料厚度的減薄，其剛度也隨之下降。針對(duì)上述缺陷，將流道左右兩側(cè)的隔板設(shè)計(jì)為裙式截面結(jié)構(gòu)來提高底板的水平彎曲剛度。
改進(jìn)設(shè)計(jì)后，最終得到的設(shè)計(jì)方案如圖4所示。新款電池包材料選用導(dǎo)熱性能較好的輕質(zhì)6系鋁合金，通過模塊化設(shè)計(jì)方法，將箱體的結(jié)構(gòu)件分割為多組設(shè)計(jì)單元。針對(duì)鋁合金材料，選用攪拌摩擦焊完成各單元的拼焊，此連接方式有效保留了位置80%的材料性能，避免了局部應(yīng)力集中的失效。新結(jié)構(gòu)保留了原設(shè)計(jì)的連接定位關(guān)系，使其質(zhì)量下降為44.93kg，完成整體28.9%的輕量化設(shè)計(jì)。

2靜力學(xué)分析及拓?fù)鋬?yōu)化

2.1電池包有限元模型的建立
依據(jù)相關(guān)建模標(biāo)準(zhǔn)，在有限元仿真軟件Hy-perMesh中建立有限元模型，如圖5所示。整體采用四邊形殼單元?jiǎng)澐?；考慮到電池包內(nèi)部整體載荷較小，不足以導(dǎo)致焊點(diǎn)連接失效的發(fā)生，通過合并單元和6自由度全約束剛性連接RIGID模擬部件間的連接。得到82026個(gè)單元和79793個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池包模型，材料選用6061高強(qiáng)度鋁合金。

2.2靜力學(xué)仿真分析
電動(dòng)汽車在實(shí)際行駛過程中經(jīng)歷的路面狀況通常非常復(fù)雜!想要精確模擬汽車在路面行駛過程中的受載情況是不符合實(shí)際的)電池包在隨電動(dòng)汽車行駛過程中所受載荷源自于汽車制動(dòng)(轉(zhuǎn)彎和顛簸等狀況下電池包內(nèi)部電池模組晃動(dòng)對(duì)周圍結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的較大慣性沖擊力以及汽車在凹凸不平的路況下，因不同側(cè)輪胎懸空或被抬高而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用力。所以在研究電池包靜態(tài)性能時(shí)，為凸顯電池包的應(yīng)力分布與位移變化，應(yīng)選取幾種較為典型的極端工況進(jìn)行分析。結(jié)合電動(dòng)汽車NVH試驗(yàn)和車輛行駛工況仿真經(jīng)驗(yàn)，本文選用顛簸路面下的急剎車、急轉(zhuǎn)彎和凹凸路面上的扭轉(zhuǎn)3種工況進(jìn)行研究，具體加載情況如表1所示。由于僅考慮結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性，分析時(shí)適當(dāng)忽略包內(nèi)電池模組的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征，將3種工況下模組對(duì)周圍件的加載直接建立在簡化模型中，如圖6所示。

經(jīng)CAE仿真分析，獲得電池包的靜力學(xué)分析結(jié)果，如表2所示。不難看出，3種極端工況下電池包的最大應(yīng)力僅為22.53MPa，遠(yuǎn)小于6061高強(qiáng)度鋁合金的屈服極限141MPa，最大位移為0.611mm，也小于各密封件間的相對(duì)位移精度要求。從后期生產(chǎn)制造的成本角度出發(fā)，為避免新電池包剛度和強(qiáng)度上的過設(shè)計(jì)因素，引入拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)完成對(duì)結(jié)構(gòu)的減材處理。

2.3電池包多工況拓?fù)鋬?yōu)化
拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)受載結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳力路徑，在既定設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋找最佳材料分布的設(shè)計(jì)方法，本文在Optistruct分析軟件中通過拓?fù)鋬?yōu)化方法求解多工況下新電池包的最佳結(jié)構(gòu)布置形式并完成整體的輕量化設(shè)計(jì)。電池包內(nèi)部的底板及冷卻液流道、外部的結(jié)構(gòu)件和覆蓋件因?yàn)槠涿芊庑缘囊鬅o法進(jìn)行挖孔等減材處理，所以本次優(yōu)化僅在電池包內(nèi)部加強(qiáng)筋部分進(jìn)行。在各工況載荷與約束下，以最大應(yīng)力和最大位移為約束函數(shù)，求解保證適當(dāng)強(qiáng)度條件下的最小質(zhì)量解。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

式中：n為單元數(shù)；m（xi）為電池包整體質(zhì)量；xi為變密度法計(jì)算下第i個(gè)單元的密度；vi為第i個(gè)單元的體積；和sk，max分別為第k工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變量。
33次迭代后得到的加強(qiáng)筋拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖7所示。模型展示了靜態(tài)多工況下最優(yōu)解的結(jié)構(gòu)布置情況，按照設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行挖孔處理后，電池包總重量減少0.108kg，僅減重0.27%，因此需要進(jìn)行尺寸優(yōu)化對(duì)電池包進(jìn)行進(jìn)一步輕量化設(shè)計(jì)。

3基于Isight的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

Isight是一套可整合設(shè)計(jì)流程中所使用的各項(xiàng)軟件工具，并自動(dòng)進(jìn)行最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)平臺(tái)，它提供了試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與多種先進(jìn)優(yōu)化算法，本文將結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果和相關(guān)設(shè)計(jì)要求在Isight軟件中完成電池包的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。尺寸優(yōu)化也稱作參數(shù)化優(yōu)化技術(shù)，可以對(duì)有限元模型的板件厚度、
截面尺寸以及材料特性等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化本文選用模型各部件厚度為設(shè)計(jì)變量，以輕量化為目標(biāo)，在保證整體剛強(qiáng)度要求的前提下，進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化流程如圖8所示。

3.1靈敏度分析
針對(duì)一個(gè)模型或系統(tǒng)的狀態(tài)變化對(duì)參數(shù)變化的敏感程度的研究稱為靈敏度分析，在優(yōu)化方法中通過靈敏度分析可以區(qū)分出各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)或模型的影響大小。所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)前，先引入電池包除底板（含流道）外的整體靈敏度分析，由分析結(jié)果篩選出合適變量進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)靈敏度分析結(jié)果（表3），蓋板是電池包質(zhì)量的最主要影響因子，也是之后尺寸優(yōu)化的主要位置，而邊框其次；吊耳和4號(hào)加強(qiáng)筋對(duì)總質(zhì)量的貢獻(xiàn)較小，將作為次要量參與試驗(yàn)設(shè)計(jì)；剩余3部分加強(qiáng)筋由于其影響因子過小予以忽略。得到尺寸優(yōu)化變量如下：邊框板厚X1、蓋板厚X2、吊耳板厚X3和4號(hào)加強(qiáng)筋板厚X4。

3.2最優(yōu)拉丁超立方選點(diǎn)
Isight中的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法提供了合理有效的獲得信息數(shù)據(jù)的方法。在本次試驗(yàn)中選用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)方法篩選試驗(yàn)點(diǎn)，相比于隨機(jī)拉丁超立方設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)在選擇試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)更加均勻，從而使得因子與響應(yīng)的擬合更為精確和真實(shí)。結(jié)合近似建模中的試驗(yàn)樣本數(shù)量要求，本次試驗(yàn)選用24個(gè)樣本點(diǎn)作為試驗(yàn)因子參與設(shè)計(jì)，如表4所示。

3.3近似建模
通過數(shù)學(xué)模型近似逼近輸入變量與輸出變量的方法稱為近似建模方法本次試驗(yàn)選用響應(yīng)面方法，利用多項(xiàng)式函數(shù)模擬設(shè)計(jì)空間，選用三階多項(xiàng)式擬合函數(shù)，得到Y(jié)1、Y2和Y3的擬合函數(shù)關(guān)系式分別如式(2)～式(4)所示：


3.4多目標(biāo)尺寸優(yōu)化
尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)需要建立在整體剛度合格的基礎(chǔ)上!因此!需要在尺寸減薄過程中對(duì)最大變形量作必要約束。采用非支配排序遺傳算法加速優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。以4個(gè)厚度尺寸為設(shè)計(jì)變量；質(zhì)量和應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)，其優(yōu)化加權(quán)比為0.6:0.4；以最大變形量為約束，根據(jù)密封件最大間隙要求設(shè)定最大變形量小于0.85mm，進(jìn)行電池包整體的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型：

3.5尺寸優(yōu)化結(jié)果分析
去除所有壞點(diǎn)后得到4個(gè)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化過程曲線，如圖9所示，根據(jù)總體上4個(gè)設(shè)計(jì)變量共65組優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的單極與多極兩種分布情況，本文將相應(yīng)4種結(jié)構(gòu)件在參數(shù)設(shè)計(jì)上進(jìn)行歸類分析。X2和X4的數(shù)據(jù)分布規(guī)律一致，將其歸為一類；反之，將數(shù)據(jù)上多極分布的X1與X3歸為另一類。

為更清晰地說明此兩類部件在參數(shù)化設(shè)計(jì)中的區(qū)別，本文引入載荷比的概念，載荷比定義為部件載荷與初始質(zhì)量之比，其中載荷數(shù)值取最大應(yīng)力計(jì)算，各部件的載荷比如表5所示。

參數(shù)化優(yōu)化中，蓋板與加強(qiáng)筋的載荷比數(shù)值相對(duì)極小或極大，可以判斷其優(yōu)化數(shù)值分布也一定呈現(xiàn)出偏向最小/大值的單級(jí)分布規(guī)律。例如本文中的大質(zhì)量件電池包蓋板在3種極端工況下都不受直接載荷，且相鄰部件傳遞的負(fù)荷也較小，載荷比僅為0.196，所以優(yōu)化過程中的取值一致趨向于設(shè)定取值范圍的最小值；反之在負(fù)責(zé)關(guān)鍵承力作用的后側(cè)加強(qiáng)筋位置，高達(dá)44.490的載荷比也符合其朝設(shè)計(jì)域最大值分布的數(shù)值取向。
相對(duì)于上述兩個(gè)設(shè)計(jì)件，邊框和吊耳的載荷比位于數(shù)軸的中間區(qū)域，因?yàn)榇朔N部件不僅受載情況嚴(yán)峻，且質(zhì)量一般不大甚至偏小，所以在設(shè)計(jì)中需要反復(fù)權(quán)衡其減重與加強(qiáng)的利弊，才能求出綜合最優(yōu)解。本文中邊框件的載荷與質(zhì)量都較高，所以其載荷比較小，其單位減重對(duì)其剛度和承載能力的影響也較小，因此在優(yōu)化中可以更偏向于減重設(shè)計(jì)，取多極數(shù)值中的偏小值；反之，吊耳為電池包與車身的關(guān)鍵連接件，需要承擔(dān)電池包在垂向的全部靜動(dòng)態(tài)載荷，同時(shí)質(zhì)量也較小，則其載荷比較高，單位質(zhì)量對(duì)其剛度和承載能力的影響也較大，在優(yōu)化中需要更多保留其原有結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，且輕量化的意義不大，因此取多極數(shù)值中的偏大值更為合理。
圖10展示了目標(biāo)函數(shù)Y1、Y2和Y3在優(yōu)化過程中的數(shù)值變化曲線。經(jīng)比對(duì)可知，優(yōu)化過程中最大應(yīng)力Y2與最大變形量Y3的變化趨勢基本趨于一致，這是因?yàn)檫@兩項(xiàng)數(shù)值變化都與剛度提升成負(fù)相關(guān)；而總質(zhì)量Y1的變化趨勢相反，因?yàn)閯偠忍嵘峭ㄟ^增加關(guān)鍵位置的材料堆疊實(shí)現(xiàn)的。綜上所述，本次優(yōu)化的中心任務(wù)就是在提升結(jié)構(gòu)剛度與輕量化設(shè)計(jì)間完成折中設(shè)計(jì)，由加權(quán)計(jì)算結(jié)果可得，總體上3項(xiàng)數(shù)值都偏低的第19組數(shù)據(jù)為過程最優(yōu)解。


4優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

結(jié)合鋁合金板件加工的工藝要求，將優(yōu)化后各板件的厚度尺寸圓整為：邊框板厚X1取2.2mm、蓋板厚X2取1.0mm、吊耳板厚X3取2.8mm以及4號(hào)加強(qiáng)筋板厚度X4取1.8mm。驗(yàn)證分析結(jié)果如圖11所示，由圖可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于45MPa，且最大位移小于1mm，電池包最大應(yīng)力較優(yōu)化前有所提高，但也僅為42.11MPa，遠(yuǎn)小于A16061高強(qiáng)度鋁合金的屈服極限141MPa，最大增大至0.834mm，符合電池包密封件的間隙要求。
優(yōu)化前后電池包各項(xiàng)性能對(duì)比如表6所示，優(yōu)化后電池包整體質(zhì)量下降至39.41kg，相較優(yōu)化前減少了5.52kg，減重12.3%，在保證電池包良好性能的前提下，達(dá)成了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。
新款電池包在車上的實(shí)際應(yīng)用效果如圖12所示。在后續(xù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的電池包在實(shí)際生產(chǎn)中由于焊接等工藝因素的影響，導(dǎo)致整體減重比減小為10.9%，整車的續(xù)航里程從原180公里提升至200公里，且箱體結(jié)構(gòu)性能良好。

5結(jié)論

(1)通過分析電池包在純電動(dòng)汽車行駛中的實(shí)際加載情況，選取3種極端工況建立近似仿真模型，提高了后續(xù)靜力學(xué)分析和優(yōu)化結(jié)果的可靠性。
(2)為避免結(jié)構(gòu)性能和質(zhì)量等多目標(biāo)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的失衡，采用全新設(shè)計(jì)-局部拓?fù)鋬?yōu)化-全局尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)與優(yōu)化順序，以整體-局部-整體的設(shè)計(jì)思路，綜合優(yōu)化了電池包結(jié)構(gòu)。
(3)根據(jù)結(jié)構(gòu)在Isight中試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果的單級(jí)與多極化的分布特征將結(jié)構(gòu)件分類，并引入載荷比概念，分別論證了不同設(shè)計(jì)件在尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)中的參數(shù)優(yōu)化取值規(guī)律。
(4)優(yōu)化后電池包減重12.3%，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于45MPa，且最大位移小于1mm。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，新電池包結(jié)構(gòu)具有良好的安全與經(jīng)濟(jì)性能，相較老款結(jié)構(gòu)，整車?yán)m(xù)航里程由180公里提升至200公里。

文章來源：湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室