摘 要

近年来，电动汽车发展迅速，已成为汽车未来发展的一个主要方向。在当前电池技术难以取得突破的前提下，当前电动车存在动力电池过重的问题，极大地影响了电动汽车的驾驶性能和续航里程。电池箱作为动力电池的载体，对动力电池的安全性、密封性具有十分重要的作用，针对目前电动汽车动力电池箱体存在型材结构复杂，重量过重等问题，本文基于吉利某款纯电动汽车的动力电池箱，通过运用有限元分析软件对电池箱体进行静力学分析和模态分析，根据分析结果对电池箱进行尺寸优化和材料更换，并对比了优化前后的性能的变化，提出一种确实可行的轻量化方案。优化后的电池箱总重386.4kg,减重29.7%，箱体由原来的199.3kg减为现在的36.4kg,减重达82%，轻量化效果十分明显。

关键词：电池箱；静动态特性；有限元仿真；轻量化

Abstract

In recent years, electric vehicles have developed rapidly and become a major direction of future development of automobiles. Under the precondition that the current battery technology is difficult to break through, the current electric vehicle has the problem of overweight power battery, which greatly affects the driving performance and endurance mileage of the electric vehicle. Battery box, as the carrier of power battery, plays an important role in the safety and sealing of power battery. Aiming at the problems of complex profile structure and heavy weight existing in power battery box of electric vehicle at present, based on the power battery box of a pure electric vehicle in Geely, this paper carries out static analysis and modal analysis of battery box by using finite element analysis software. According to the analysis results, the size optimization and material replacement of battery box are carried out, and the performance changes before and after optimization are compared, and a feasible lightweight scheme is proposed. After optimization, the total weight of the battery box is 386.4 kg, and the weight loss is 29.7%. The weight of the battery box is reduced from 199.3 kg to 36.4 kg, and the weight loss is 82%. The lightweight effect is very obvious.

Key words: battery box; static and dynamic characteristics; finite element simulation; lightweight

目录

第一章 绪论 1

1.1选题研究背景 1

1.2研究意义 2

1.3国内外研究现状 2

1.3.1电动汽车发展现状概述 2

1.3.2电池箱轻量化设计研究现状 3

1.4本文主要研究内容 4

第二章 电池箱的结构设计 5

2.1 引言 5

2.2电池箱的结构设计 5

2.2.1 电池箱的相关设计要求 5

2.2.2 电池箱的布置形式 5

2.2.3 电池箱的结构设计 6

2.3本章小结 7

第三章 电池箱有限元模型的建立 8

3.1 引言 8

3.2 有限元方法的基本理论 8

3.3有限元应用软件介绍 9

3.4有限元模型的建立 9

3.4.1模型简化 9

3.4.2模型的几何清理 10

3.4.3网格划分和质量检查 10

3.4.4连接关系的模拟 11

3.4.5材料属性和厚度的赋予 11

3.5本章小结 12

第四章 电池箱的静动态性能分析 13

4.1引言 13

4.2 电池箱的静态特性分析 13

4.2.1 电池箱的加载 13

4.2.2 静力分析结果 13

4.3 电池箱的模态分析 14

4.3 本章小结 15

第五章 电池箱轻量化设计 16

5.1引言 16

5.2 轻量化设计优化 16

5.2.1 静力学分析 16

5.2.2 模态分析 17

5.2.3 轻量化优化评价 18

5.3 本章小结 18

第六章 总结和展望 19

6.1全文总结 19

6.2展望 19

参考文献 20

致谢 21

第一章 绪论

1.1选题研究背景

汽车工业作为中国工业生产的支柱产业，是中国经济社会发展不可或缺的重要组成部分。然而，随着石油和煤炭等不可再生资源消耗的增加以及中国汽车保有量的迅速增加，能源危机和环境污染问题日益严重，它已成为新时期社会主义事业建设的重大障碍之一。从国家能源安全和严峻的环境污染情况以及愈演愈烈的空气污染问题来看，进行汽车产业升级、大力发展新能源汽车已成为世界上大多数国家必须做出的选择。近年来，欧洲许多发达国家都宣布了禁售燃油车的时间表，如德国、比利时和瑞士宣布在2030年开始禁售燃油车、英国和法国政府宣布2040年开始禁售燃油车^[1]。据有关部门介绍，虽然中国尚未确定具体禁止出售燃油车的时间表，中国政府也在响应这一行动，正在积极研究禁产禁售燃油车的时间节点；与此同时，中国的许多汽车公司也单方面宣布了停止生产燃油车的时间表。发展新能源汽车是大势所趋已成为共识，可以想象到那时新能源汽车将全面主导汽车市场。对于像中国这样的汽车大国来说，汽车产业的转型升级将是中国汽车工业由大做强的重要战略机遇。

新能源汽车的发展方向很多，在众多发展方向中，电动车辆使用动力电池作为能量源，通过电动机将电能转换成机械能以驱动汽车。它具有能源来源广泛，能量转换率高，零排放，低污染，低噪声等众多优点。因此电动汽车以其独特的优势而更具发展潜力，受各大主机厂的青睐，已成为未来汽车发展的一个主要方向。

表1.1 动力电池与汽油比能量对比

然而，电动汽车的发展目前面临许多问题。电动汽车可靠性、安全性问题，续航里程问题，充电时间和充电桩建设推广问题，销售价格问题等，这些问题严重的制约了电动汽车的推广和应用。其中，动力电池作为电动汽车产业发展的核心技术，是制约电动汽车续航里程的最大瓶颈。由表1.1可知，就比能量而言，目前汽车市场上应用最广的锂离子电池与燃油车相比有着相当大的差距，至少0.9吨满载电量的锂离子电池的电动汽车的续航里程才可与普通燃油车相媲美。动力电池已成为电动汽车应用和发展的最大障碍。

1.2研究意义

在排放法规越来越严格的当下，为了减少汽车尾气排放，汽车轻量化技术取得了长足的发展，已经成为了汽车未来发展的主流趋势。对传统燃油汽车而言，经过这么多年的发展，其轻量化设计技术已相对成熟，大大降低了燃油消耗和尾气排放；对于电动汽车而言，轻量化的意义更为重要。在当前电池技术难以取得突破的前提下，轻量化设计不仅可以有效提高汽车的行驶性能，而且大大提高了电动汽车的行驶里程，从而有效地促进了电动汽车的推广和应用。根据欧洲铝协公布的资料统计：对于传统燃油汽车，其自重减少10%，燃油消耗可减少6%-8%，废气排放可减少4%^[2、3]；而对电动车来说，每100kg的减重可以增加大概10%的续驶里程。当前，出于续航里程的考虑，电动汽车动力电池组模块数量较多，同时质量和体积也普遍偏大；同时，由于安全和经济因素，用于装载动力电池的电池箱也过于厚重。这就造成电动汽车动力电池重量过大，占整车重量比例较大，整车质量普遍超过普通汽车一倍以上，例如，特斯拉Model S的重量达到了2108Kg，动力电池的总重量高达900Kg，动力电池的重量接近整车一半。过重的动力电池极大地影响了电动汽车的驾驶性能和续航里程。电池箱作为动力电池的载体，对动力电池的安全性、密封性具有十分重要的作用，针对目前电动汽车动力电池箱体存在型材结构复杂，重量过重等问题，对电动汽车电池箱体结构进行轻量化设计具有重要意义。

1.3国内外研究现状

1.3.1电动汽车发展现状概述

实际上电动汽车的历史比传统燃油汽车还要早，从1873年世界上第一辆可供使用电动汽车的诞生到如今电动汽车行业的蓬勃发展，电动汽车已经有了100多年的发展历程。受制于电池和电机驱动技术，面对内燃机车在续航里程和经济成本上的巨大优势，电动汽车的发展停滞不前。直到20世纪90年代第一次能源危机，政府才开始重新关注电动汽车，制定了各种优惠政策，支持电动汽车产业的发展，电动汽车这才实现了跨越式发展。各大主机厂纷纷推出各自品牌的电动车型，很多电动车在性能指标上毫不逊色于传统燃油车。就目前发展火热的特斯拉公司来说，Tesla Model S只用了几年时间就从一款概念车到大规模量产上市，其整车整备质量为2108千克，采用了独特的底盘Pack构架，将电池箱与底盘融为一体，电池容量达到90千瓦/小时，可实现长距离行驶。其动力性能很出色，百公里加速时间仅为5.6秒，阻力系数极低，最高时速达到193公里/小时。

图1.1 Tesla Model S^[8]

早在20世纪60年代，中国就开始开展电动汽车相关研发，但投资规模小，研究进展缓慢。20世纪80年代以后，中国的电动车真正开始大力发展。2001年，电动汽车作为“十五”国家高新技术研究发展计划电动汽车重大专项项目被提升到战略高度，斥资8.8亿来鼓励电动汽车技术研发；“十二五”和 “十三五”期间，国家对电动汽车的购买和研发提供了充足财政补贴和政策支持^[4]，极大的促进了新能源汽车的市场推广；2015年，作为战略性新兴产业，新能源汽车被列“中国制造2025”高端装备创新项目栏目。2018年，中国纯电动乘用车产量和销量分别达到了79.2万辆和78.8万辆。可以说，经过这么多年的发展，我国在新能源电动汽车上取得了巨大的成就，已经建立起了现代化的研发体系，初步形成了符合社会主义市场规律的研发机制，在某些关键技术上已经处于国际前列。

1.3.2电池箱轻量化设计研究现状

汽车轻量化已经成为未来汽车设计的发展方向。国内外主要研究机构和许多专家学者对此进行了大量的研究。减少结构件和电池箱体的质量占比，优化电池箱的系统结构来提高动力电池的能量密度是目前提高动力电池能量密度最常见和有效的两种方法。但对电池箱体进行轻量化设计并不是一味的减轻箱体重量，而是在电池箱体强度、刚度等各项安全性能允许的前提下，通过计算机仿真等先进的设计工具，以最大限度地的降低箱体质量。一般而言，轻量化技术目前有三种技术方法：结构设计优化，轻质材料和先进的加工技术；结构设计优化主要包括的优化方法如形貌优化、尺寸优化、拓扑优化、自由尺寸优化等^【1】；采用的轻质材料包括镁铝合金、高强度钢、新型复合材料等；使用的加工技术如液压成形、激光焊接、激光切割等。湖南大学王品健^[1]等人利用MSC.Nastran 对电池包进行静动态分析，根据分析结果，运用Optistruct软件通过更换材料、尺寸和拓扑优化对动力电池包进行了优化设计；在各项性能指标满足的前提下，动力电池包减重6.3%。湖南大学的孙小卯使用Hypermesh、Fatigue软件分析了电池仓的静态、模态和疲劳寿命^[5]；改进后电池仓的动静态特性、疲劳寿命都有较大的提升。吉林大学曲兴田教授等人使用Hyperworks软件对动力电池组进行了有限元分析^[4]，并通过 OptiStruct求解器获得了箱体形貌的最优解，综合运用自由尺寸优化技术、单层铺层优化技术以及层组尺寸优化技术，使电池包箱体减重比达到了66%，轻量化效果显著。上海工程技术大学汪佳龙采用碳纤维环氧树脂复合材料，采用Tsai-wu强度准则校核了复合材料的强度，通过性能对比，碳纤维复合材料轻量化效果明显^[6]，动力电池箱减重64%。

1.4本文主要研究内容

本文所研究的动力电池是基于吉利某款纯电动汽车的电池箱，通过运用有限元分析软件对电池箱体进行静力学分析和模态分析，根据分析结果进行轻量化优化，并对比优化前后的性能的变化，从而提出一种确实可行的轻量化方案。其具体的研究内容如下所述：

（1）阐述了本课题的研究背景及其重要意义，总结了国内外电动汽车发展现状和成就，并针对动力电池箱体轻量化，介绍其轻量化的技术路线和国内外学者和机构目前的研究现状。

（2）根据电池箱机械结构设计要求，按照其布置形式和结构形状类型，参考吉利某款电动汽车的电池箱，运用三维建模软件CATIA构建了电池箱初步的三维实体模型。

（3）简要介绍有限元方法的基本理论，介绍相关的有效元软件，并在Hypermesh中进行有限元前处理。对建立好的三维模型进行模型简化、几何清理，进行2D网格划分，根据实际情况建立好各部件连接关系，分配材料属性和厚度进而完成有限元模型的建立。

（4）在abaqus中对有限元模型进行约束，根据相应的国家标准，对电池箱体进行两种典型组合工况的静力学分析和约束自由度下的模态分析。根据静态和动态分析的应力、应变云图，分析设计中存在的问题，为轻量化设计提供依据。

（5）根据前面的分析结论，更改电池箱体的材料属性，并对其进行尺寸优化，同时，再次对改进后的箱体进行静动态分析，确定性能是否符合设计要求，以达到本次轻量化设计的设计要求。

第二章 电池箱的结构设计

2.1 引言

作为电动汽车的动力源，动力电池箱对整车的行驶性能和行驶里程起着决定性的作用。电池箱作为动力电池的载体，对电池包内的电池组提供保护，是电池组单元能否安全稳定地进行动力输出的关键。在设计中不仅要考虑安全、绝缘防水和碰撞等方面因素，还要考虑在有效的底盘空间中安装尽可能多的电池模块，同时，它不能过多地影响整车的性能。

2.2电池箱的结构设计

2.2.1 电池箱的相关设计要求

电池箱总体设计要求是：

（1）箱体在极限工况下应具备足够强度和刚度；

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