文 | 法老
編輯 | 法老
動力電池箱作為電動汽車承載動力電池的裝置，起到保護動力電池的作用，是電動汽車的重要組成部分。
對純電動汽車而言，動力電池為全車提供動力，其性能的好壞對整車性能有巨大的影響。當前車載電池主要存在能量密度偏低的問題，無法滿足電動汽車的設計發展要求。
為提高電動汽車的續航里程，同時滿足用戶長距離駕駛的需求，電動汽車必須裝備高容量的動力電池。
這導致電池組質量較大，電池箱需要承受較大載荷，進而影響到駕駛安全性和可靠性。
所以，如何優化電動汽車的電池箱結構，同時提升電池組的容量與安全性能呢？
這一切的基礎都要從純電動汽車電池箱構造講起。
一、純電動汽車電池箱設計要求
在針對電動汽車的電池箱結構進行優化設計時，需要同時滿足各類設計要求，具體如下：
（1）機械強度要求，電池箱結構要與汽車台架吻合，不會在行駛過程中產生明顯的振動與位移現象，尤其是在衝擊試驗中。
對電池箱的結構穩定性也具備一定的要求，例如振動試驗要滿足在X軸、Y軸以及Z軸的振動頻率範圍是20Hz至50Hz之間，保證最大加速度為30m/s2，保證在多次試驗後電池箱結構無明顯變化情況。
（2）碰撞安全要求，電池箱在汽車行駛過程中會產生慣性位移情況，可以採用電池固定帶對其進行固定。
保證碰撞時電池不會甩出車外，並且在產生碰撞時還要維持電池組的正常運行狀態，避免發生短路情況。
此外對絕緣、散熱、防水以及通風等方面都存在一定的要求。
（3）質量要求，電動汽車的電池箱為保證自身電容量，就必須放鬆對整體質量的控制，然而質量過高會產生劇烈的慣性位移，同時還會存在碰撞損壞等隱患。
因此在對其進行設計時還要在保證電容量的同時盡量降低電池箱質量，例如減少電池組外壁厚度等。
二、純電動汽車電池箱結構優化設計措施
（一）整體結構設計
電池箱結構主要包括線纜組件、箱體、連接器、電池單體以及電池監測系統等，在針對其進行優化設計時要從多方面進行考慮，例如電池的通用性與互換性等。
本研究將電池箱設計為無蓋長方體形式，具體尺寸為長720mm，寬210mm，高260mm，沿著長方體方向在兩端各放置兩塊電池單體，將監測系統與線纜等組件放到電池箱中間區域。
（二）構建有限元模型
採用有限元模型對電池箱結構的變化情況進行分析，這樣可以準確測定出電池箱組的應變、應力以及位移情況，再結合調試優化方案進行綜合分析，可以為最優調試方案提供數據支撐。
電池箱有限元分析的分析目標為急剎車、急轉彎以及劇烈顛簸振動狀態下電池箱的變化情況，並且可以分為靜態分析與動態分析兩種狀態。
首先在動態分析中需要開展相應的響應分析與固有特性分析，也就是電池箱的振動頻率與振型，這樣可以準確判定出電池箱的動態荷載情況。
同時在模態分析模式，可以得到電池箱的固有頻率，這也是判斷電池箱是否產生共振的主要依據。
因此在圍繞動態分析結果開展優化設計時，需要電池箱滿足一個或多個實驗指標，並且在調試幫助下逐漸找到最佳狀態。
（三）電池箱結構靜態模擬分析
在針對電池箱進行靜態分析時，需要將其結構單元矩陣作為參考對象，也就是應變矩陣，通過對單元節點的位移變化情況進行分析。
這樣可以判定出電池箱結構材質與質量對其外部應力與位移造成的影響。
針對應力應變與位移之間的關係進行分析，將二維單元的應力矩陣與節點位移效果相結合，採用直接法或迭代法對平衡方程進行計算。
為進一步驗證電池箱的靜態分析結果，還要對結構材質與熱傳導係數進行確認，首先時電池箱的結構材質，現階段電動汽車的電池箱材質主要分為鋁合金、高強鋼以及普通鋼板等。
上述材料都有各自的優勢與應用特點，其中鋁合金由於密度較低，因此整體質量較低，如果合理控制其碰撞與振動反應下的變化情況，能夠有效減輕電池箱的整體質量。
其次是熱傳導係數，散熱性能作為電池組的重要作業指標，採用鋁合金材質具有良好的導熱與散熱能力，而且還具備機械加工優勢，具備良好的耐腐蝕能力。
因此本研究最終將鋁合金選定為電動汽車電池箱的結構材質。
此外結合實際生產要求，為保證電池箱結構的整體成本，首先將電池箱的部件厚度設定為4mm，並且在後續實驗中進行調試，在實驗中僅考慮車輛在此狀況下的受荷載情況。
模態分析也分為低階模態與高階模態。其中低階模態主要反映電池箱的剛度特徵，通過模態結果確定車身與電池箱共振頻率範圍，從而進行控制避免共振。
在電池箱動態分析時低階模態對電池箱影響要高於高階模態，用低階模態反映固有振型和固有頻率。
（四）靜動態結果分析
利用有限元軟體針對電池箱進行動態與靜態模擬分析，根據電池箱應力雲圖可以準確掌握電池箱結構在各種外力影響下的變化情況。
當電池箱的質量為4.35kg時，屆時電池箱的最大應力數值為126.0MPa，一階模態數值為119.31Hz。
此時最大應力反應主要集中在電池箱的前後另個側面，其中一階模態最大值主要產生於電池箱的底部。
針對鋁合金材料進行調試，將其屈服極限調整為295MPa，屆時電池箱的最大應力數值為126.0MPa，這說明電池箱結構在多個方面都具備很大的優化提升空間。
三、純電動汽車電池箱結構優化設計方案
在針對電動汽車的電池箱結構進行優化設計時，可以採用局部逼近的數字迭代方式進行計算，也就是將動態頻率設定為優化目標。
首先以減輕電池箱質量為目的，根據相關理論形式進行分析，當電池箱結構的應力值較低時，電池箱整體結構不會產生明顯變化，然而在實際工作中需要考慮綜合方面的影響因素。
也就是將靜態分析與動態分析相結合，避免電池箱組與車體產生共振反應，例如將其振動頻率調整為與車身振頻相差20Hz至50Hz之間即可。之後要採用二分法進行逼近試驗。
保持其他條件不變，針對電池箱厚度進行調整，例如當電池箱的材料厚度為1.8mm時，屆時的應力數值為157.8MPa，滿足應力要求。
隨後將材料厚度調整為1.65mm，屆時的應力數值為178.0MPa，也能夠滿足應力要求，並且不會發生極限變形現象，此時電池箱組的靜態分析結果如圖1所示。
結合圖1能夠得知，當電池箱結構進行優化後，其最大應力數值為178.0MPa，發生在電池箱中部通風散熱孔附近。
電池箱結構優化後的位移變化數值為5.774mm，發生在電池箱底部中央位置。
電池箱結構優化後的模態數值為102.44Hz，電池箱前後兩端的振動情況比較明顯，屆時能夠保證電池箱組的整體質量為3.463Kg，相比優化之前減輕18.85%。
四、結語
綜上所述，純電動汽車作為今後汽車生產製造行業的必然發展趨勢，需要不斷對其設計理念與技術進行優化革新，尤其是電池箱組的設計，作為電動汽車的核心構成部分。
要從多方面入手，針對電池箱組的綜合應用性能進行調試，這樣才能同時保證電池箱的應用價值與電動汽車的安全性。
本研究針對純電動汽車的電池箱結構優化進行研究，首先闡述電池箱的作用與設計要求，其次通過建立有限元模型從對電池箱結構進行模擬分析。
並且從電池箱材料、厚度等方面進行實驗，優化結果如下：當電池箱結構進行優化後，其最大應力數值為178.0MPa。
電池箱結構優化後的位移變化數值為5.774mm；電池箱結構優化後的模態數值為102.44Hz，電池箱組的整體質量為3.463Kg，相比優化之前減輕18.85%。
參考文獻
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