輕量化插電式電池盒設計

高飛

(福特汽車工程研究(南京)有限公司，江蘇 南京211100)

隨著汽車行業的發展，汽車數量越來越多，傳統燃油汽車污染環境問題日益突出，近來中國政府大力倡導發展新能源汽車，插電式新能源汽車具有好的燃油經濟性，因此插電式新能源汽車也是為了汽車行業發展的趨勢之一。電池包作為插電式新能源核心的零部件，降低整車重量和提升電池包安全性是汽車廠研究的重要課題，電池包在汽車行駛的過程中會受到來自各個方向的應力，容易產生結構失效，因此電池盒設計要滿足強度要求。本設計基于CAE 模擬仿真評估電池盒的強度是否滿足要求，同時對電池盒按照國家法規要求進行安全性能測試，進一步評估電池盒設計的可行性。

1 設計要求

電池包要滿足GB/T 31467.3-2015[1]振動，擠壓，碰撞的要求。電池包無泄漏、著火、爆炸等現象。

2 電池盒設計

2.1 電池盒材料選擇

通常電池盒設計采用鈑金沖壓焊接設計，并通過電泳或者噴塑方式進行表面處理，防止腐蝕，但是因鈑金密度大約為7800kg/mm3,隨著中國對能量密度的要求逐漸提過，鋼材的電池盒能量密度逐漸滿足不了電池包的需求。相比于鈑金材料來說，鋁合金材料具有耐腐蝕性能好、散熱性強、質量輕等方面的優點。本設計電池盒采用低壓鑄造設計，材料選用A356，密度為2700kg/mm3,遠低于鋼材的密度，可以極大的提升電池包的能量密度，上蓋采用6 系鋁板才沖壓成型，具有強度高，密度低的優勢。全鋁電池盒設計可以確保安全性能的同時，提升電池包的能量密度。

2.2 電池盒結構設計

鋁合金電池盒如圖1，電池盒箱體重29kg，外形尺寸約為961mm×886mm×150mm，平均壁厚5mm，電池盒側壁設置4mm寬，3mm 高的加強筋用于強化電池包側壁的剛性；上蓋采用6系鋁型材進行沖壓，重量約為9kg；通過鈑金支架固定在車身上，鈑金支架重量為1.5kg。

圖1 電池包

3 電池盒有限元仿真

3.1 電池盒有限元模型

通過Hypermesh 對電池包進行網格劃分和處理，通過Abaqus 進行后處理和分析。

3.2 振動分析

在電池包支架打螺栓處，約束電池盒的自由度。工況設置為X 方向2.0g 加速度，Y 方向設置為2.0g 加速度，Z 方向設置為3.0g 加速度。把材料抗拉屬性賦予電池包進行模擬仿真，如圖2，電池包的應力應變云圖，電池盒的最大的應力為18.8Mpa，應變為0.075mm，遠小于材料的屈服強度170Mpa 和延伸率6%。因此通過CAE 分析可以確定電池盒在振動工況下是安全的，無破裂風險。

圖2 電池包應力應變云圖

3.3 擠壓分析

電池包約束，在電池包左側設置豎直堅硬墻，在右側設置擠壓棒。工況設置為擠壓棒向左側擠壓電池盒，應力達到100KN，或者30%的變形量，停止擠壓。把材料抗拉屬性賦予電池包進行模擬仿真，如圖3，電池包擠壓圖，電池盒左側支架產生彎曲變形，電池盒為塑性變形，并無破裂現象，擠壓棒不會侵入到電池包內部的模組盒電芯。因此通過CAE 分析可以確定電池盒在擠壓工況下是安全的，無起火爆炸風險。

圖3 電池包擠壓CAE

4 安全性能測試

為了驗證電池包設計的安全性，本設計通過GB/T31467.3-2015[1]《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3 部分：安全性要求與測試方法》的規定對電池包實物進行安全性能測試。電池包的安全性能測試包括振動、擠壓、碰撞。電池包在振動時，會受到各方面的力，電動汽車發生碰撞時，電池包內部的電池會因受到強烈的沖擊和擠壓，因此電池包在碰撞時可能發生漏電、起火甚至爆炸的風險。所以國家標準要求GB/T31467.3-2015[1]電池包在測試期間以及測試后，不應發生起火、漏電、爆炸或電解液泄漏等現象。本設計的電池盒在振動、擠壓、碰撞時，均未出現起火、爆炸、電解液泄漏等問題，安全性能指滿足國家標準要求。因此實際的試驗結果表明，本設計的電池包具有良好的安全性能。

圖4 擠壓和振動試驗

5 結論

插電式電池盒設計，在滿足安全性能的同時，采用輕量化設計，降低電池包的重量，提升了電池包的能量密度，同時通過CAE 仿真在設計階段優先評估電池盒的安全性，可以節約項目開發的周期，在實際測試結果中，電池包通過了相關的法規測試，具有良好的安全性能。插電式電池盒作為新的技術領域，也是汽車電動化產業的一個重要發展方向。