電動汽車電池箱到底是如何設計的，其內部構造要還有優化空間嗎？

文 | 法老

編輯 | 法老

電池系統是電動汽車的唯一能量來源，它的性能對電動汽車的安全性、可靠性等有著:至關重要的影響。

電池箱是電池系統的重要組件，在保護電池方面有著不可替代的作用，同時電池箱對整車通過性和穩定性也有一定影響。

傳統的試制方法盡管可靠性強，但是存在設計周期長、成本高、安全余量過大等問題；

隨著有限元技術的成熟和數值計算方法的發展，有限元分析在汽車制造領域的應用越來越廣泛。

那么，電池箱到底是如何設計的，其內部構造要還有優化空間嗎？我們如何改進才能為后續的輕量化設計提供優化基礎？

一、電池箱布置方案

電池系統具有很大質量，它在整車中的位置，直接影響汽車的安全性和操縱穩定性。

一般情況下，電池箱的空間大小和布置位置都是根據整車的空間設計決定的。因此在電動汽車開發時，就應該考慮合理的布置方案。

電池箱的布置因素主要包括：整車的軸荷分配、整車的最小離地間隙、電動汽車的驅動形式、整車空間、電池系統的冷卻方式等。

現在的純電動汽車中有一部分是在傳統汽車的平臺上開發的，所以電動汽車的電池布置形式各種各樣，表3.1總結了電池箱不同布置方式的優缺點。

除了集中式的電池布置形式，還有分散式的布置形式。

這主要是因為車輛空間的制約，在保證續航里程的條件下，不得不在多處采用不規則形狀布置電池。如圖3.1所示的大眾e-Golf采用“土”字型的電池組布置形式。

如圖3 .2所示的雪佛蘭沃藍達采用“T'，字型的電池組布置形式。

盡管電池箱的形狀多種多樣，布置位置也不盡相同，但是將電池箱布置在地板下比其他位置有更突出的優點。

從后期維護和車輛穩定性的角度出發，電池箱不應有過于復雜的形狀，以近似矩形為最佳的結構設計方案。

二、原電池箱性能分析（一）仿真工況確定

電池箱作為電動汽車能量系統的主要部件，它的性能對電池系統的安全性和整車的穩定性有著重要影響。

正確的仿真工況是評價電池箱性能好壞的前提，本文綜合國內外電動汽車電池箱的研究現狀和電池箱實際的工作載荷，確定出以下五種典型工況：

（1）顛簸路面轉彎

汽車行駛在不平整路面轉彎，是典型的常見工況。在該工況下電池箱不應該發生較大變形，以免電池在電池箱內竄動。

同時，若電池箱發生較大位移，電池箱內的線束以及其他附件也會受到擠壓，這對汽車能量系統的安全性是不利的。

（2）顛簸路面制動

與顛簸路面轉彎工況類似，顛簸路面制動也是常見工況。

（3）模態分析

汽車在工作狀態下，由于風載和路面激勵的存在，汽車一直處于振動狀態。

電池箱的設計應該保證其低階模態高于汽車的激勵頻率，從而避免電池箱在外界激勵作用下發生共振。

電池箱的共振會影響電池的安全性，也會大大降低電池箱的使用壽命，對整車舒適性也存在負面影響。

（4）隨機振動分析

結構在不確定的連續載荷激勵作用下，其振動規律是無法用確定的函數來描述的，只能從統計學的角度出發。

以概率來描述，這種振動稱為隨機振動〔汽車行駛在凹凸不平的路面上，近似于隨機振動，所以有必要對電池箱進行隨機振動分析。

（5）擠壓分析

汽車發生碰撞時，電池箱會受到嚴重擠壓。如果電池箱剛度不足，就會發生較大變形，從而擠壓電池。

電池發生較大變形時，有可能導致電池燃燒；同時電池箱被嚴重擠壓時、會發生破裂，電池的化學液體有可能進入乘員艙，危害人體安全。

（二）原電池箱在各種工況下的仿真分析

（1）顛簸路面轉彎工況

汽車正常行駛的工況十分復雜，為了能夠清晰的描述電池箱的基本性能，通常確定幾種典型工況進行分析。

顛簸路面轉彎行駛是典型工況之一，電池模組在慣性力的作用下，會給電池箱傳遞較大的載荷，本文中轉彎產生的加速度為0.8g，顛簸產生的加速度為2g。

原電池箱是通過吊耳與車架相連接的，所以在仿真中，需要約束吊耳螺栓孔周圍節點的平動和轉動自由度。

為了模擬電池模組慣性力的作用，給予電池模組所有單元節點施加相應的載荷。

顛簸路面轉彎工況下，原電池箱的位移云圖如圖3.5所示，最大位移為1.76mm，發生在電池箱的底部中心位置。

一般情況下，當取顛簸路面產生的加速度為2g時，最大位移不超過2mm，所以位移滿足要求。

應力云圖如圖3.6所示，最大應力為22.34MPa，發生在電池箱的底部邊緣位置，應力遠小于材料的屈服應力，材料利用率不高。

（2）顛簸路面制動工況

顛簸路面制動工況的仿真過程與顛簸路面轉彎工況類似。

顛簸產生的加速度為2g，制動產生的加速度為1g，約束吊耳螺栓孔相應節點的轉動和平動自由度，加速度產生的作用力施加在電池模組的單元節點上。

顛簸路面制動工況下，原電池箱的位移云圖如圖3.7所示，最大位移為1.61mm，發生在電池箱底部中心位置。

制動工況下的最大位移與轉彎工況要求相同，所以位移滿足設計要求。

應力云圖如圖3.8所示，最大應力為22.1MPa，發生在電池箱的底部邊緣位置，最大應力遠小于材料的屈服應力，安全裕度過大。

（3）模態分析

模態分析在機械振動領域應用廣泛，通過模態分析可以得到構件的固有振型以及各階頻率。

一般情況下，模態存在自由模態和約束模態兩種形式，自由模態能夠反映構件的整體振動特性，約束模態更與實際貼合。

為了更客觀的反映電池箱在實際中的振動特J性，本文所研究的模態均為約束模態。

因為原電池箱是通過吊耳上的螺栓孔和車架相連接的，所以在計算電池箱的約束模態時，需要約束吊耳螺栓孔節點的自由度。

電池箱的前六階模態頻率如表3.4所示，模態振型如圖3.9一3.14所示。

模態分析的目的就是為了避免低階頻率與激勵頻率重合，從而改善構件的振動特性。

工程中一般采用提高低階頻率的方法來避免共振，電池箱如果在工作狀態中發生共振。

電池壽命、結構疲勞、整車舒適性等都會受到嚴重影響。

電動汽車的主要激勵源是電機的振動和路面的顛簸，電機的振動頻率一般不超過25Hz；路面的激勵頻率與路面不平度和車速有關。

波長的關系為：

其中，Y為汽車的行駛速度，L為路面的波長，f為激勵頻率。我國各種路面不平度的統計參數如表3.5所示。

電動汽車主要行駛在路況良好的道路上，即平坦路面，取行駛車速為1 OOkm/h，平坦

路面的波長為1.0m，根據式（3.1）得到路面激勵頻率為：

根據以上分析可知，路面的激振頻率在30Hz以下，所以，為了避免汽車電池箱在汽車行駛時發生劇烈振動，要求電池箱的一階頻率高于30Hz。

文中的電池箱第一階模態頻率為20.67Hz，小于30Hz，所以需要提高電池箱的模態頻率來改善結構振動特性。

（4）隨機振動分析

由于路面高低的不確定性，電動汽車在行駛過程中受到的路面激勵也是不確定的，所以無法用確定的函數來描述載荷，只能在統計意義上研究。

隨機振動分析從統計學的角度出發，是研究結構在不確定載荷下振動特性的有效方法。

通過隨機振動分析可以預測結構的疲勞壽命，所以對電池箱進行隨機振動分析是十分重要和必要的。

根據國標GB/T 31467.3-2015中的相關規定，需要對電池箱的三個方向進行隨機振動測試。

各個方向的功率譜密度曲線如圖3.15所示，如果電池箱安裝在乘員艙下部，測試參數按照表3.6、表3.7、表3.9進行。

如果電池箱安裝在其他位置，測試參數則按照表3.6、表3.8、表3.9進行。

本文所研究的電池箱安裝在乘員艙下部，所以測試參數按照表3.6、表3.7、表3.9進行。

根據電池箱在振動測試臺上的固定方式，利用RBE2單元將吊耳螺栓孔節點相連，這樣就可以直接在RBE2單元的中心節點上進行加載，同時也有利于后處理結果的查看。

隨機振動仿真建模借助Optistruct軟件中的Random PSD Frequency Response向導完成，采用模態疊加法進行隨機振動求解。

為了驗證仿真的正確性，可以對比加載節點的載荷功率譜曲線與響應功率譜曲線是否一致，因此，本文列出了X， Y， Z向加載點的響應曲線。

分別如圖3.16、圖3.18、圖3.20所示，圖中激勵點的響應曲線與加載曲線完全一致，說明隨機振動仿真分析是正確的。

X， Y， Z三向的1二應力云圖分別如圖3.17、圖3.19，圖3.21所示。X向最大1二應力為10.7MPa，發生在吊耳螺栓孔處，對應的3二應力為32.1MPa；。

Y向最大1二應力為19.7MPa，也發生在吊耳螺栓孔處，對應的3二應力為59.1MPa； Z向最大1二應力為75.9MPa，發生在下箱體邊緣位置。

對應的3二應力為227.7Mpao X， Y， Z三向最大3二應力均小于材料的屈服應力，說明電池箱在X， Y， Z三向的隨機振動載荷下，均能滿足安全性要求。

（5）擠壓分析

汽車行駛過程中難免發生事故，在發生劇烈碰撞時，電池箱會受到嚴重擠壓。

如果電池箱沒有一定的防撞能力，電池會受到過度入侵，輕則電池系統破壞，重則電池破裂、化學物質泄漏、傷害乘員。

所以電池箱的防撞性能對能量系統來說相當重要。

國標GB/T 31467.3-2015中說明了電池系統的碰撞、擠壓測試方法，但是所述的測試方法主要關注的是電池的安全性，沒有評估電池箱結構變形的相關內容。

因此，本文參照國標的測試方法以及與主機廠進行商討，提出了新的擠壓分析工況和評價指標。

（6）橫向擠壓

施加在電池箱左右側面的擠壓力為15kN，電池箱在變形后不應該侵入電池，且箱體不發生破裂。

（7）縱向擠壓

施加在電池箱前后側面的擠壓力為15kN，電池箱在變形后不應該侵入電池，且箱體不發生破裂。

按照本文所提出的測試方法對原電池箱進行橫向擠壓和縱向擠壓仿真，載荷以均布力的方式施加在對應單元的節點上。

橫向擠壓工況下的位移云圖如圖3 .22所示，最大位移23.76mm，出現在上箱體的中心位置，下箱體側面最大位移為Smm。

上箱體與電池之間的距離為3 Omm，與車身之間的距離為20mm。

下箱體左右側壁與電池之間的距離為20mm，所以在橫向擠壓工況下，原電池箱的變形對電池沒有侵入，但上箱體變形量過大。

橫向擠壓工況下的應力云圖如圖3.23所示，最大應力為352.6MPa，發生在上下箱體的連接位置，小于材料的強度極限，可認為原電池箱不發生破裂。

縱向擠壓工況下的位移云圖如圖3 .24所示，上箱體的最大位移為10.39mm，下箱體側面最大位移為6mm。

下箱體前后側壁與電池之間的距離為3 Omm，所以在縱向擠壓工況下，原電池箱的變形對電池也沒有發生侵入。

橫向擠壓工況下的應力云圖如圖3.25所示，最大應力為242.2MPa，出現在下箱體的擠壓位置，小于材料的強度極限，可認為原電池箱在縱向擠壓工況下不發生破裂。

雖然橫向擠壓和縱向擠壓均滿足設計要求，但是橫向擠壓工況下最大應力過大，存在連接位置材料破損的風險，所以需要優化擠壓工況下的應力分布。

三、總結

本文首先介紹了電池箱的結構設計概述，接著對某車型的電池箱進行測量，獲取相關參數，并在CATIA軟件中建立了原電池箱的幾何模型。

在Hypermesh軟件中建立原電池箱的有限元建模，然后，根據國內外對電池箱的研究現狀，確定了仿真工況，并提出新的擠壓仿真工況和評價指標。

通過對原電池箱進行仿真得到各工況下的性能響應，并對各工況下的性能做出評價。本章的仿真工況和分析結果為后續電池箱優化提供了設計基礎。

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