混合动力汽车用电池包结构分析及改进
周一丹 陈小丹 颜认 周陈全 储爱华
摘 要： 动力电池是混合动力汽车的主要储能元件，对整车的性能具有重要影响。而电池包作为电池模组的载体，则起着保护电池模组正常、安全工作的关键作用，其结构强度是否可靠直接影响整车的安全性。以某混合动力汽车用电池包为研究对象，建立其三维有限元模型，通过Abaqus软件分析电池包结构在6种典型工况下的应力及位移分布情况。基于强度分析结果对电池包结构进行改进设计。仿真结果表明，改进后的电池包结构强度满足混合动力汽车对电池包的强度要求，为电池包产品结构的定型设计提供理论依据。
关键词： 混合动力汽车； 电池包结构； 强度分析； 设计改进
中图分类号： TN948.2?34； TH122 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0170?04
Abstract： The power battery is the main energy storage element of hybrid power vehicle， and has an important influence on the vehicle performance. As the carrier of the battery module， the battery pack plays a key role in protecting the normal and safe operation of the battery module， and the reliability of its structure strength affects on the safety of the vehicle directly. The battery pack of a certain type of hybrid power vehicle is taken as the research object to establish its three?dimensional finite element model. The stress and displacement distribution of the battery pack structure under 6 typical working conditions are analyzed with Abaqus software. On the basis of strength analysis results， the improvement design of the battery pack structure was carried out. The simulation results show that the improved structure strength of the battery pack can meet the strength requirement of hybrid power vehicle for battery pack， and provides a theoretical basis for the design type of the battery pack structure.
Keywords： hybrid power vehicle； battery pack structure； strength analysis； design improvement
0 引 言
在传统的内燃机汽车向新能源汽车发展的过程中，混合动力汽车作为一种过渡车型，因具有污染小、油耗低、动力性强等优势，获得了越来越广泛的应用[1?2]。动力电池作为混合动力汽车的储能元件，对整车动力性及燃油经济性有着重要影响。电池包作为电池模组的载体结构，除了支撑整个电池集成系统，更起着保证电池模组正常、安全可靠工作的关键作用[3?4]。由于整车运行工况的复杂性，文中从6种典型工况出发，运用有限元计算方法对电池包在典型工况下的应力和位移情况进行仿真分析，并根据分析结果对所设计的电池包结构提出改进方案，在工程应用方面具有重要的意义。
1 混合动力汽车用电池包
1.1 电池包结构
以某款混合动力汽车用动力电池包为研究对象，该电池包主要由电池模组、底部支撑架、电池包盖板、高压元器件集成模块及高压仓盖板、风机及风机护板等零部件组成。其中，电池模组分为总正、总负模组，每个模组包括4排5列共20个圆柱形镍氢电池模块，每个模块由6个电池单体串联组成；底部支撑架是承重部件；高压元器件均布置在高压仓中并加装盖板进行高压仓的保护；该电池包采用强制风冷的散热方式，在左右模组底部各安装了一个离心式风机，用于对电池模组进行冷却，并加装风机护板进行防尘防水保护。
图1是用CATIA建立的电池包结构模型。
1.2 电池包有限元模型的建立
Hypermesh前处理软件不仅具有强大的网格划分功能，能够对各种复杂结构进行网格离散化，还与多种主流分析软件建立良好的数据接口[5]。网格划分是建立有限元模型的重要手段，有限元模型中网格质量的高低直接影响着计算的效率及计算结果的精度[6?7]。本文利用Hypermesh对电池模型进行网格划分，设定网格的大小为5 mm，共生成71 402个单元，73 257个节点。
本文分析的电池包主要由冲压钣金件焊接而成，各钣金件用壳单元（S4单元）模拟，左右电池模组、高压元器件以及风机分别用质量单元模拟，赋予的质量值分别为25 kg，1 kg，0.8 kg。点焊与螺栓连接是将电池包各部件装配在一起的主要方式，由于焊点与螺栓的刚度要比其所连接部件的刚度高很多，其受力变形可以忽略不计，所以模型中采用焊接单元与BEAM梁单元对焊点与螺栓进行模拟。
材料对于电池包的结构性能具有重要影响，为了保证动力电池的安全性、可靠性，同时满足防污染、防噪声、防腐蚀、轻量化、低成本等方面的要求，电池包钣金件的材料均选用DC01冷轧钢板， 各部件材料属性及厚度如表1所示。
通过Hypermesh与Abaqus的数据接口将建立好的电池包有限元模型导入到Abaqus中，模拟分析其在不同工况载荷条件下的应力、位移分布情况，以确保电池包结构的安全可靠性。
2 电池包结构强度仿真分析
整车在行驶过程中，由于路面状况的差异会产生不同的行驶工况，从而造成电池包的载荷条件随之变化。在整车行驶工况中，组合工况、侧向冲击、过坑工况、倒车上台阶以及垂直冲击等工况较为常见[8]。故基于以上6种工况对电池包施加载荷约束，进行结构强度分析。参考Q/JLYJ7110570A?2012技术规范，各工况加速度如表2所示，结合各零部件的质量，根据牛顿第二定律F=ma，得到施加在电池包上的约束力。在实际工程中，电池包通过前后4个支撑架采用螺栓连接方式固定在车身上，故约束前后4个支撑架的所有自由度。
2.1 前行制動工况
在前行制动工况下，根据整车的动力性要求[9]，需在3 s内将车速从120 km/h减至0，在此过程中，电池包结构除了承受本身的重力外，还受到由于制动而产生的沿水平方向的惯性力。将该载荷力施加在电池模组和风机质量单元上，并固定约束电池包的4个支撑架。图2为前行制动工况下，电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图2可以看出，前行制动工况下，电池包结构的最大等效应力为166.2 MPa，发生在底座左前方位置，最大位移为0.304 9 mm，发生在盖板左上方位置。
2.2 侧向冲击工况
侧向冲击工况中，电池包主要承受自身重力及侧向冲击力，图3为此工况下电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图3可以看出，侧向冲击工况下，电池包结构的最大等效应力为131.9 MPa，发生在后横梁与底座左后安装孔位置，最大位移为0.114 8 mm，发生在底座左前端位置。
2.3 过坑工况
当整车行驶在有浅坑的路面时，此时电池包结构除了承受自身的重力外，还受到由于电池包在起伏过程而产生的沿竖直方向的惯性力。图4为过坑工况下，电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图4可以看出，过坑工况下，电池包结构的最大等效应力为380.7 MPa，发生在右前支撑架安装孔位置，最大位移为0.541 8 mm，发生在盖板左上方位置。
2.4 倒车上台阶工况
整车在倒车上台阶时，电池包除了承受自身的重力外，还受到由于整车上台阶而产生的竖直方向的惯性力。图5为倒车上台阶工况下，电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图5可以看出，倒车上台阶工况下，电池包结构的最大等效应力为274.4 MPa，发生在后横梁与底座左后安装孔位置，最大位移为0.324 6 mm，发生在底座与盖板右前安装孔位置。
2.5 垂直冲击工况
当整车行驶在严重凹凸不平（即有较大落差）的路面时，电池包除了承受电池组的重力外，还受到由于整车突然下落而产生的竖直方向的惯性力。图6为垂直冲击工况下，电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图6可以看出，垂直冲击工况下，电池包结构的最大等效应力为306.1 MPa，发生在右前支撑架安装孔位置，最大位移为0.336 7 mm，发生在底座与盖板右前安装孔位置。
2.6 组合工况
组合工况综合考虑了整车行驶过程中的各种状况，此工况下，电池包结构主要承受重力及沿竖直方向的惯性力。图7为组合工况下，电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图7可以看出，组合工况下，电池包结构的最大等效应力为238.6 MPa，发生在左前支撑架安装孔位置，最大位移为0.266 3 mm，发生在高压仓盖板左前方位置。从各个工况下的分析结果可以看出，电池包的变形主要产生在电池包前侧位置，最大等效应力主要产生在支撑架位置。电池包钣金件采用的DC01材料的极限强度为410 MPa，根据可靠度设计标准，取安全系数为1.6，因此许用应力为256.25 MPa。在过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下电池包的最大等效应力分别为380.7 MPa，274.4 MPa，306.1 MPa，均已超过了材料的许用应力，故电池包原结构设计方案不能满足强度要求，需对其结构进行改进。
3 电池包结构改进设计
仿真结果表明电池包的最大应力及变形主要发生在支撑架和电池包前侧位置，据此提出以下优化改进措施：为了增加结构强度，在两个后支撑架处分别加焊一块加强板，与整车固定的连接孔开在加强板斜面上；为了增加电池包的刚度，减小电池包前侧变形量，在电池包前侧增加与整车相连接的防撞梁。图8为电池包结构改进前后对比。
由于过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下原电池包结构的强度不满足要求，故对改进的电池包在此三种工况下的结构强度进行比较分析。图9～图11分别为优化电池包结构在过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下的等效应力与位移求解结果。
由以上分析结果可知，改进的电池包结构在过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下的最大等效应力分别为241.4 MPa，205.9 MPa，235.2 MPa，均已小于其材料的许用应力256.25 MPa，满足强度设计要求。
4 结 论
文中利用有限元法对某款混合动力汽车用电池包结构进行典型工况下的强度分析。分析结果表明，原电池包结构在过坑、倒车上台阶以及垂直冲击工况下，其最大等效应力均已超出所用材料的许用应力，无法满足电池包的强度使用要求；因此文中通过增加与整车连接的防撞梁和后支撑架加强板以改进电池包结构设计。改进结构的仿真分析结果表明，电池包在各工况下的整体位移、最大等效应力均得到显著改善，最大等效应力值为241.4 MPa，小于材料的许用应力256.25 MPa，满足电池包结构强度要求，达到了预期设计目标，对于提高电池包的使用安全性、可靠性具有重要意义。
注：本文通讯作者为陈小丹。
参考文献
[1] 吴瑞竹，肖继学，宋春华，等.混合动力汽车发展综述[J].中国测试，2012，38（6）：26?29.
[2] 于秀敏，曹珊，李君，等.混合动力汽车控制策略的研究现状及其发展趋势[J].机械工程学报，2006，42（11）：10?16.
[3] 孙小卯.某型电动汽车电池包结构分析及改进设计[D].长沙：湖南大学，2013.
[4] 王丽娟.车用动力电池包结构CAE分析优化研究[D].南京：南京理工大学，2014.
[5] 边弘晔，李鹤，闻邦椿.HyperMesh有限元前处理关键技术研究[J].机床与液压，2008，36（4）：160?161.
[6] 李金国，王慧，刘红.基于Hypermesh的有限元前置优化设计[J].机械工程师，2005（7）：126?127.
[7] 林光典，胡习之，李彬，等.基于HyperMesh的网格质量优化分析[J].机械工程师，2013（9）：71?74.
[8] 张建伟，李孟良，艾国和，等.车辆行驶工况与特征的研究[J].汽车工程，2005，27（2）：220?224.
[9] 仇玉林，王贵勇.整车动力性与燃油经济性的分析预测[J].内燃机与动力装置，2008（5）：23?27.
[10] 叶玉丽，付主木，韩慧霞，等.单轴并联式混合动力汽车能量平衡控制策略[J].计算机仿真，2016，33（4）：206?211.
摘 要： 动力电池是混合动力汽车的主要储能元件，对整车的性能具有重要影响。而电池包作为电池模组的载体，则起着保护电池模组正常、安全工作的关键作用，其结构强度是否可靠直接影响整车的安全性。以某混合动力汽车用电池包为研究对象，建立其三维有限元模型，通过Abaqus软件分析电池包结构在6种典型工况下的应力及位移分布情况。基于强度分析结果对电池包结构进行改进设计。仿真结果表明，改进后的电池包结构强度满足混合动力汽车对电池包的强度要求，为电池包产品结构的定型设计提供理论依据。
关键词： 混合动力汽车； 电池包结构； 强度分析； 设计改进
中图分类号： TN948.2?34； TH122 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0170?04
Abstract： The power battery is the main energy storage element of hybrid power vehicle， and has an important influence on the vehicle performance. As the carrier of the battery module， the battery pack plays a key role in protecting the normal and safe operation of the battery module， and the reliability of its structure strength affects on the safety of the vehicle directly. The battery pack of a certain type of hybrid power vehicle is taken as the research object to establish its three?dimensional finite element model. The stress and displacement distribution of the battery pack structure under 6 typical working conditions are analyzed with Abaqus software. On the basis of strength analysis results， the improvement design of the battery pack structure was carried out. The simulation results show that the improved structure strength of the battery pack can meet the strength requirement of hybrid power vehicle for battery pack， and provides a theoretical basis for the design type of the battery pack structure.
Keywords： hybrid power vehicle； battery pack structure； strength analysis； design improvement
0 引 言
在传统的内燃机汽车向新能源汽车发展的过程中，混合动力汽车作为一种过渡车型，因具有污染小、油耗低、动力性强等优势，获得了越来越广泛的应用[1?2]。动力电池作为混合动力汽车的储能元件，对整车动力性及燃油经济性有着重要影响。电池包作为电池模组的载体结构，除了支撑整个电池集成系统，更起着保证电池模组正常、安全可靠工作的关键作用[3?4]。由于整车运行工况的复杂性，文中从6种典型工况出发，运用有限元计算方法对电池包在典型工况下的应力和位移情况进行仿真分析，并根据分析结果对所设计的电池包结构提出改进方案，在工程应用方面具有重要的意义。
1 混合动力汽车用电池包
1.1 电池包结构
以某款混合动力汽车用动力电池包为研究对象，该电池包主要由电池模组、底部支撑架、电池包盖板、高压元器件集成模块及高压仓盖板、风机及风机护板等零部件组成。其中，电池模组分为总正、总负模组，每个模组包括4排5列共20个圆柱形镍氢电池模块，每个模块由6个电池单体串联组成；底部支撑架是承重部件；高压元器件均布置在高压仓中并加装盖板进行高压仓的保护；该电池包采用强制风冷的散热方式，在左右模组底部各安装了一个离心式风机，用于对电池模组进行冷却，并加装风机护板进行防尘防水保护。
图1是用CATIA建立的电池包结构模型。
1.2 电池包有限元模型的建立
Hypermesh前处理软件不仅具有强大的网格划分功能，能够对各种复杂结构进行网格离散化，还与多种主流分析软件建立良好的数据接口[5]。网格划分是建立有限元模型的重要手段，有限元模型中网格质量的高低直接影响着计算的效率及计算结果的精度[6?7]。本文利用Hypermesh对电池模型进行网格划分，设定网格的大小为5 mm，共生成71 402个单元，73 257个节点。
本文分析的电池包主要由冲压钣金件焊接而成，各钣金件用壳单元（S4单元）模拟，左右电池模组、高压元器件以及风机分别用质量单元模拟，赋予的质量值分别为25 kg，1 kg，0.8 kg。点焊与螺栓连接是将电池包各部件装配在一起的主要方式，由于焊点与螺栓的刚度要比其所连接部件的刚度高很多，其受力变形可以忽略不计，所以模型中采用焊接单元与BEAM梁单元对焊点与螺栓进行模拟。
材料对于电池包的结构性能具有重要影响，为了保证动力电池的安全性、可靠性，同时满足防污染、防噪声、防腐蚀、轻量化、低成本等方面的要求，电池包钣金件的材料均选用DC01冷轧钢板， 各部件材料属性及厚度如表1所示。
通过Hypermesh与Abaqus的数据接口将建立好的电池包有限元模型导入到Abaqus中，模拟分析其在不同工况载荷条件下的应力、位移分布情况，以确保电池包结构的安全可靠性。
2 电池包结构强度仿真分析
整车在行驶过程中，由于路面状况的差异会产生不同的行驶工况，从而造成电池包的载荷条件随之变化。在整车行驶工况中，组合工况、侧向冲击、过坑工况、倒车上台阶以及垂直冲击等工况较为常见[8]。故基于以上6种工况对电池包施加载荷约束，进行结构强度分析。参考Q/JLYJ7110570A?2012技术规范，各工况加速度如表2所示，结合各零部件的质量，根据牛顿第二定律F=ma，得到施加在电池包上的约束力。在实际工程中，电池包通过前后4个支撑架采用螺栓连接方式固定在车身上，故约束前后4个支撑架的所有自由度。
2.1 前行制動工况
在前行制动工况下，根据整车的动力性要求[9]，需在3 s内将车速从120 km/h减至0，在此过程中，电池包结构除了承受本身的重力外，还受到由于制动而产生的沿水平方向的惯性力。将该载荷力施加在电池模组和风机质量单元上，并固定约束电池包的4个支撑架。图2为前行制动工况下，电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图2可以看出，前行制动工况下，电池包结构的最大等效应力为166.2 MPa，发生在底座左前方位置，最大位移为0.304 9 mm，发生在盖板左上方位置。
2.2 侧向冲击工况
侧向冲击工况中，电池包主要承受自身重力及侧向冲击力，图3为此工况下电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图3可以看出，侧向冲击工况下，电池包结构的最大等效应力为131.9 MPa，发生在后横梁与底座左后安装孔位置，最大位移为0.114 8 mm，发生在底座左前端位置。
2.3 过坑工况
当整车行驶在有浅坑的路面时，此时电池包结构除了承受自身的重力外，还受到由于电池包在起伏过程而产生的沿竖直方向的惯性力。图4为过坑工况下，电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图4可以看出，过坑工况下，电池包结构的最大等效应力为380.7 MPa，发生在右前支撑架安装孔位置，最大位移为0.541 8 mm，发生在盖板左上方位置。
2.4 倒车上台阶工况
整车在倒车上台阶时，电池包除了承受自身的重力外，还受到由于整车上台阶而产生的竖直方向的惯性力。图5为倒车上台阶工况下，电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图5可以看出，倒车上台阶工况下，电池包结构的最大等效应力为274.4 MPa，发生在后横梁与底座左后安装孔位置，最大位移为0.324 6 mm，发生在底座与盖板右前安装孔位置。
2.5 垂直冲击工况
当整车行驶在严重凹凸不平（即有较大落差）的路面时，电池包除了承受电池组的重力外，还受到由于整车突然下落而产生的竖直方向的惯性力。图6为垂直冲击工况下，电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图6可以看出，垂直冲击工况下，电池包结构的最大等效应力为306.1 MPa，发生在右前支撑架安装孔位置，最大位移为0.336 7 mm，发生在底座与盖板右前安装孔位置。
2.6 组合工况
组合工况综合考虑了整车行驶过程中的各种状况，此工况下，电池包结构主要承受重力及沿竖直方向的惯性力。图7为组合工况下，电池包结构等效应力与位移分布云图。
由图7可以看出，组合工况下，电池包结构的最大等效应力为238.6 MPa，发生在左前支撑架安装孔位置，最大位移为0.266 3 mm，发生在高压仓盖板左前方位置。从各个工况下的分析结果可以看出，电池包的变形主要产生在电池包前侧位置，最大等效应力主要产生在支撑架位置。电池包钣金件采用的DC01材料的极限强度为410 MPa，根据可靠度设计标准，取安全系数为1.6，因此许用应力为256.25 MPa。在过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下电池包的最大等效应力分别为380.7 MPa，274.4 MPa，306.1 MPa，均已超过了材料的许用应力，故电池包原结构设计方案不能满足强度要求，需对其结构进行改进。
3 电池包结构改进设计
仿真结果表明电池包的最大应力及变形主要发生在支撑架和电池包前侧位置，据此提出以下优化改进措施：为了增加结构强度，在两个后支撑架处分别加焊一块加强板，与整车固定的连接孔开在加强板斜面上；为了增加电池包的刚度，减小电池包前侧变形量，在电池包前侧增加与整车相连接的防撞梁。图8为电池包结构改进前后对比。
由于过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下原电池包结构的强度不满足要求，故对改进的电池包在此三种工况下的结构强度进行比较分析。图9～图11分别为优化电池包结构在过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下的等效应力与位移求解结果。
由以上分析结果可知，改进的电池包结构在过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下的最大等效应力分别为241.4 MPa，205.9 MPa，235.2 MPa，均已小于其材料的许用应力256.25 MPa，满足强度设计要求。
4 结 论
文中利用有限元法对某款混合动力汽车用电池包结构进行典型工况下的强度分析。分析结果表明，原电池包结构在过坑、倒车上台阶以及垂直冲击工况下，其最大等效应力均已超出所用材料的许用应力，无法满足电池包的强度使用要求；因此文中通过增加与整车连接的防撞梁和后支撑架加强板以改进电池包结构设计。改进结构的仿真分析结果表明，电池包在各工况下的整体位移、最大等效应力均得到显著改善，最大等效应力值为241.4 MPa，小于材料的许用应力256.25 MPa，满足电池包结构强度要求，达到了预期设计目标，对于提高电池包的使用安全性、可靠性具有重要意义。
注：本文通讯作者为陈小丹。
参考文献
[1] 吴瑞竹，肖继学，宋春华，等.混合动力汽车发展综述[J].中国测试，2012，38（6）：26?29.
[2] 于秀敏，曹珊，李君，等.混合动力汽车控制策略的研究现状及其发展趋势[J].机械工程学报，2006，42（11）：10?16.
[3] 孙小卯.某型电动汽车电池包结构分析及改进设计[D].长沙：湖南大学，2013.
[4] 王丽娟.车用动力电池包结构CAE分析优化研究[D].南京：南京理工大学，2014.
[5] 边弘晔，李鹤，闻邦椿.HyperMesh有限元前处理关键技术研究[J].机床与液压，2008，36（4）：160?161.
[6] 李金国，王慧，刘红.基于Hypermesh的有限元前置优化设计[J].机械工程师，2005（7）：126?127.
[7] 林光典，胡习之，李彬，等.基于HyperMesh的网格质量优化分析[J].机械工程师，2013（9）：71?74.
[8] 张建伟，李孟良，艾国和，等.车辆行驶工况与特征的研究[J].汽车工程，2005，27（2）：220?224.
[9] 仇玉林，王贵勇.整车动力性与燃油经济性的分析预测[J].内燃机与动力装置，2008（5）：23?27.
[10] 叶玉丽，付主木，韩慧霞，等.单轴并联式混合动力汽车能量平衡控制策略[J].计算机仿真，2016，33（4）：206?211.
