文章來源：河南德力新能源汽車有限公司
關鍵字：電池包支架；有限元；強度；輕量化
前言
電動車採用動力電池作為驅動源，作為整車動力源的電池包在純電動汽車研發中十分重要。電池包透過電池包支架固定於車身或車架上，為應對複雜的路面工況，電池包及其固定結構需具備優良的效能。車型研發前期，由於沒有樣車進行效能控制，使用有限元模擬方法對數字樣車進行模擬分析，是目前研發過程中十分重要的一環。結合前期分析經驗，透過對模擬資料的控制，可減少後期的試驗成本。本文對電池包模態進行分析最佳化，提高電池包的固有頻率，可有效避免行駛中的電池包振動風險；對電池包結構強度效能進行控制，避免惡劣工況下的電池包及其支架的強度失效問題。
1 模型處理
1.1 有限元建模
根據 CATIA 資料進行有限元網格離散，對電池包及車架分別進行建模。電池模組使用空心鋁塊進行模擬，按照數模連線方式對有限元模型進行連線，電池包模型與車架模型如圖 1 和圖 2 所示。
圖 1 電池包有限元模型
圖 2 車架有限元模型
電池包模擬分析只考察電池包區域，故為減少計算量，擷取部分車架模型與電池包模型裝配在一起，如圖 3 所示。
圖 3 裝配模型
模態分析模型與強度分析模型有一定差別，兩者模型不通用。
1.2 模態計算模型
模態計算模型邊界條件為約束車架截斷區域全部自由度，計算電池包約束模態。
1.3 強度計算模型
約束車架截斷處全部自由度，載入材料的應力應變曲線，電池包框架結構材料為 HC550LA，車架側電池包安裝支架材料為 Q345L，車架材料為A510L。整車在行駛過程中，由於路面狀況的差異會產生不同的行駛工況，從而造成電池包的載荷條件隨之變化。在整車行駛工況中，組合工況、側向衝擊、過坑工況、倒車上臺階以及垂直衝擊等工況較為常見。載入工況：①垂向衝擊，②制動工況，③轉彎工況，④加速工況，各工況的加速度數值如表 1 所示。
2 模型分析
2.1 基本模態分析理論
模態分析是將線性定常系統的耦合物理座標轉換成非耦合的模態座標，使方程解耦，得到一組用模態座標和模態引數來表述的獨立方程，並求出模態引數。然後，用座標變換，使模態座標下的解轉回物理座標的解。對一個 N 自由度的線性定常系統
建立物理方程組，表達為
式中
M——質量矩陣；
C——阻尼矩陣；
K——剛度矩陣。
經過轉換後相應點的位移，對激勵點 p 的激勵力的頻響函式為
從上面的模態理論分析可知，任何點的響應都是該點各階模態響應的疊加；對於某階模態，對應地有模態頻率和模態陣型。
2.2 模態分析結果
模態目標值為不低於 25Hz，分析結果顯示一階橫擺模態結果與前後振動模態結果不滿足設計要求。分析結果如表 2 和圖 4 所示。
2.3 強度分析結果
把電池包支架強度分析結果分成兩部分進行評價：第一部分為各工況下電池包橫樑、安裝豎梁與主縱梁強度分析結果；第二部分為電池包本體結構強度分析結果；各部分在各個工況下最大應力如表 3、表 4 所示。電 池 包 本 體 結 構 一 模 組 支 撐 件最 大 應 力 為 500.05 Mpa， 材 料 為HC550LA，屈服強度為 550MPa，不滿足 1.2 的安全係數，存在斷裂風險，需最佳化；最大應力區域如圖 5 所示。
3 模型最佳化
最佳化方案一：電池包由原先的四點安裝，增加一前安裝點，變為左 2、右 2、前 1 五點安裝；在電池包前部安裝橫樑區域增加一安裝支架，如圖6、圖7所示。
電池包前安裝支架如圖 7 所示，該支架與電池包焊接在一起，然後與車架樑螺栓連線。最佳化方案二：電池包本體結構一模組支撐件由原來的片體結構改為幾字形結構(增加其與地板的連線)，如圖8所示。
優 化 後， 一 階 橫 擺 模 態 頻 率 為25.62Hz，滿足目標值要求。模組安裝點最大應力為 348.5MPa，結果如圖 9所示；材料的屈服強度為 550MPa，滿足 1.2 的安全係數，滿足設計要求。
4 結論
①透過對電池包本體及安裝支架進行模態分析，計算電池包結構的固有頻率，評估其在行駛過程中的振動風險，以目標值 25Hz 進行評價。
②透過對電池包本體及安裝支架進行強度分析，計算其在各個工況下的強度分析結果，以材料的屈服強度進行評價。
③透過增加安裝點方式、改變模組
安裝區域結構方式對不合格項進行最佳化後，各分析項均滿足設計要求。
關鍵字：電池包支架；有限元；強度；輕量化
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