拓扑优化动力电池轻量化箱体设计

拓扑优化动力电池轻量化箱体设计

Topology Optimization Designof Light Weight Power Battery Pack

 

 

摘  要：动力电池是电动汽车关键重要部件，是电动汽车能量储藏的载体；其振动性能关系到整车安全，其重量及能量密度关系到整车动力性经济性等指标。拓扑优化作为有效的CAE优化方法使用，对结构设计指导意义明显。在某动力电池箱体结构设计中，采用Altair拓扑优化方法OptiStruct对箱体进行优化。模态最大化分析一阶模态频率可提高至原结果2.03倍，重量最小化设计空间材料剔除率83.8%；对单根梁截面的拓扑优化也具有较大参考价值。根据箱体拓扑优化分析结果重新设计后，整包模态由44.60Hz提高为56.48Hz，模态优化提高11.88Hz，满足高于50Hz的要求；梁截面优化后电池箱体梁框架重量由54.31kg降低至39.56kg，降重27.2%，且模态仅降低4.43Hz至52.05Hz，满足50Hz设计指标前提下避免了保留过大的设计冗余，更好的提高了电池系统能量密度。

 

关键词：拓扑优化；动力电池；轻量化；模态； OptiStruct

 

Abstract：Battery is the key component of the electric vehicle, thevibration performance and the weight are related to the performance of thevehicle. Topology optimization, as an effective CAE optimization method, hassignificant guiding significance for structural design. In the optimizationdesign of a battery pack using OptiStruct, the first mode frequency of themodal maximization analysis can be increased to 2.03 times of the originalresult, and the rejection rate of the space material is 83.8%. The topologyoptimization of the single beam section has a great reference value to theoptimization of the beam cross section. According to the results of topologyoptimization analysis, the whole package mode is improved from 44.60Hz to56.48Hz, and the modal optimization improves 11.88Hz to meet the requirementsof higher than 50Hz. The beam weight of the pack is reduced from 54.31kg to39.56kg, the weight reduction is 27.2%, and the mode of is only reduced from4.43Hz to 52.05Hz. Which greatly improves the energy density of the batterysystem.

Keys: Topology optimization; power battery pack;light weight design; modal analysis; OptiStruct

 

0前言

动力电池是电动汽车关键重要部件，是电动汽车能量储藏的载体。目前动力电池系统重量整车占比30%以上，而整车重量与动力性、经济性等指标密切相关，最终影响电动汽车的续航里程。增加电动汽车续航里程，提高整车轻量化水平是非常重要的方向[1]；作为整车的一部分，电池系统在增加电池能量及基础上进行轻量化处理，是延长电动汽车续航里程的重要举措。整车及动力电池箱体设计早期多采用普通钢材设计，以得到更好的结构耐久及防撞性能；随着节能环保概念深入人心，高强钢、铝合金、镁合金、复合材料等的应用在汽车行业应用范围越来越高[2]。随着电池系统设计技术发展，在保证一定振动疲劳及安全性能的基础上进行轻量化设计成为技术发展主要方向，铝合金在电池箱体设计中的应用引起广泛重视。

拓扑优化（topologyoptimization）是基于既定负载、约束和目标，在设计区域内对空间材料分布进行优化的一种数学方法。1904年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念，基于CAE仿真技术发展越来越多应用于汽车设计过程中，国内外学者使用该优化技术对客车车身骨架、汽车吸能结构等进行研究，取得较好轻量化成果[3-6]。动力电池箱体作为承载电池单体或模组的机械结构，具有保护内部结构免受冲击碰撞破坏、保证电池系统正常运行的重要作用；但同时箱体本身并不是能量储藏部件，需要尽量轻量化以降低电池系统的重量。使用拓扑优化技术可为电池箱体轻量化设计提供设计方向指导，对电池系统设计非常重要。

基于拓扑优化技术对某动力电池箱体进行分析，基于电池箱体耐振动疲劳性能提高为第一要素，箱体优化以模态最大化和重量最小化作为两种分析工况。分析结果表明：在重量限制条件下，模态最大化分析一阶模态频率可提高至原结果2.03倍；在模态限制条件下，重量最小化设计空间材料剔除率83.8%。对于单根梁截面的拓扑优化显示了传力路径，具有较大的参考价值。根据拓扑优化分析结果，对箱体设计进行了优化，整包模态由44.60Hz提高为56.48Hz，模态优化提高11.88Hz，满足高于50Hz的要求；梁截面优化电池箱体梁框架重量由54.31kg降低至39.56kg，降重27.2%；梁截面优化后模态仅降低4.43Hz至52.05Hz，满足50Hz设计指标前提下避免了保留过大的设计冗余，以更好的提高电池系统能量密度。拓扑优化对结构设计指导意义明显。

 

1 优化问题定义

某电池箱体设计过程中，概念设计一阶约束模态计算值44.60Hz，从整车模态分布及隔离的角度，该模态频率已满足要求。但由于考虑到电池系统的轻量化设计，本电池箱体采用铝型材作为主要设计材料；铝型材的抗拉及疲劳极限远小于钢材，为满足电池系统的振动疲劳性能，基于前期经验及电池箱体的多次仿真计算，需将电池箱体在重量最小的情况下将模态提升至50Hz以上。

基于本设计优化需求，整个箱体优化问题按模态最大化和重量最小化两方面进行定义，互相验证并为结构设计提供参考。设置重量最小化约束条件为第一阶模态频率小于60Hz，设置模态最大化分析约束条件为重量小于520kg。设计区域为箱体及梁的包络空间，模组的重量作为负载加到箱体上，而箱体与车身连接点作为非设计区域并赋以固定约束以计算约束模态。

在根据以上拓扑优化结果进行结构设计后，为进一步降低电池箱体重量，对单根梁进行细化分析，以保留主要承力位置，确定铝型材截面形状。梁截面拓扑优化约束条件为应力小于材料疲劳强度限值50MPa，优化目标为重量最小化；设计区域为梁截面；箱体与模组连接点位置加载模组重量作为设计负载，梁两端约束作为计算应力的边界，梁两端及模组连接位置作为拓扑优化分析的非设计区域。

 

     图1 拓扑优化设计空间

 

2 拓扑分析

2.1重量最小拓扑分析

对电池箱体进行重量最小拓扑优化，优化迭代进行30次后，重量由720.1kg降低至507.4kg，模态频率由109.5Hz稳定在60.2Hz；轻量化分析电池包可降重由于电池箱体与车身连接点位于电池箱体高度维度的下部区域，电池箱体梁的设计遵循拱形桥的结构将是提高电池系统模态的关键。中部位置需要较高的梁高度，而横梁相比纵梁在提高整体模态上具有更高的效能。当然，由于考虑到选用铝型材作为箱体设计材料，且设计中未考虑管路线束等的重量，直接按拓扑优化结果重量目标定义为507kg显然是不合适的。

图2 重量最小拓扑优化

 

2.2模态最大拓扑分析

对箱体进行模态最大拓扑优化，优化迭代进行22次后，模态频率由31.3Hz提升到63.5Hz，一阶模态频率值提高2.03倍，重量保持在520kg不变。由模态最大拓扑优化和重量最小拓扑优化两个方向的CAE拓扑优化分析结果可以看到，将箱体一阶模态设计到50Hz甚至60Hz以上是完全可行的，且系统重量控制在507-520kg是比较合理的。由于进行2个计算时，加载重量为460.8kg，箱体重量在46-59kg，占比9-11%，箱体成组效率是比较优秀的。考虑到目前优化一阶模态结果在60-63Hz之间，箱体重量在后期仍有一定的降低空间；而两者拓扑优化最终结果对比，电池箱体主要传力路径基本一致，且上盖板（特别是中心区域）对模态影响较大。

图3 模态最大拓扑优化

 

2.3梁截面拓扑分析

对梁截面进行重量最小拓扑优化，优化迭代进行20次，重量由0.455kg降低至0.079kg，材料保留率17.4%，应力值由30.3MPa增加并稳定在41.8MPa水平。由拓扑优化结果，与安装平面平齐位置筋对模组承载梁起到最大加强作用；由于拓扑分析区域仅是实际梁的一半，加上对称于图示区域的梁后，两区域将达到两侧受力平衡，承载效果良好。在梁截面设计时参考本优化分析结果并考虑一定的稳定性设计，可获得较好的轻量化效果，主要的受力传递结构仅一条梁即足够。

图4 梁截面拓扑优化

 

3 设计优化

根据拓扑优化结果对电池系统箱体进行设计。考虑到中间区域梁的高度及箱体上盖对整车模态的加强作用，将模组之间以连接板连接，并与上盖相连；对于内部梁与电池包边梁的连接，只要连接位置高于外部车身与电池连接面即可，而斜切的位置可用于管路布置；将电池包横梁分为上下两段，上段内部横梁可发挥上部连接传力作用提高模态；为发挥上部需要一定梁高度以提高高度特点，将电池包中部与车身横梁相连，共同组成框架梁结构。由于采用梁框架结构可有效降低覆盖件厚度和重量，不需要过厚的电池包上盖和底板承载；根据拓扑优化分析结果，对箱体设计进行了优化，整包模态由44.60Hz提高为56.48Hz，模态优化提高11.88Hz，满足高于50Hz的要求。

由于本电池包外形尺寸大（约为2000*1700mm），即使以轻量化材料铝进行计算，每降低1mm覆盖件厚度，将降低重量9.18kg，是非常有效的轻量化措施。对电池包结构覆盖件进行有效减重后，为进一步降低电池系统重量，提高电池能量密度，基于内部梁截面优化结果，对原本基于经验设计复杂的梁截面进行了简化，仅保留主要传力结构及其他必备的起到结构稳定作用的梁截面。电池箱体梁框架重量由54.31kg降低至39.56kg，降重27.2%；梁截面优化后模态仅降低4.43Hz至52.05Hz，满足50Hz设计指标的前提下避免保留过大的设计冗余，以更好的提高电池系统能量密度。三版不同设计的主箱体一阶模态频率振型如图5所示。

图5 设计优化结果仿真验证

 

4 结论

拓扑优化作为有效的CAE优化方法得到证实，在汽车行业也得到较多应用。在某动力电池箱体结构优化提高振动性能及降重设计中，使用Altair公司OptiStruct软件，以模态最大化和重量最小化两种分析工况进行分析；在重量限制条件下，模态最大化分析一阶模态频率可提高至原结果2.03倍；在模态限制条件下，重量最小化设计空间材料剔除率83.8%；对单根梁截面的拓扑优化得到可得到其传力路径，这对梁截面的优化具有较大参考价值。根据拓扑优化分析结果，对箱体设计进行了优化，整包模态由44.60Hz提高为56.48Hz，模态优化提高11.88Hz，满足高于50Hz的要求；梁截面优化电池箱体梁框架重量由54.31kg降低至39.56kg，降重27.2%；梁截面优化后模态仅降低4.43Hz至52.05Hz，满足50Hz设计指标的前提下避免保留过大的设计冗余，以更好的提高电池系统能量密度。拓扑优化对结构设计指导意义明显。

 

参考文献

[1]范宗武,王波,林伟. 电动客车动力电池的装配容量与整车轻量化的关系[J].《客车技术与研究》,2012(4):23-25

[2]武万斌,年雪山. 汽车轻量化技术发展趋势 [J]. 《汽车工程师》, 2017(1):15-17

[3]王登峰,毛爱华,牛妍妍,魏建华,等 基于拓扑优化的纯电动大客车车身骨架轻量化多目标优化设计[J]. 《中国公路学报》, 2017.30(2):136-143

[4]Zhong W, SU R, GUI L, etc. Multi-objective topology and sizing optimization ofbus body frame [J]. Structural and multidisciplinary optimization,2016.54(3):701-714

[5]Pedersen C B W. Topology optimization design of crushed 2D-frames for desiredenergy absorption history [J]. Structural and multidisciplinary optimization,2003.25(5/6):368-382

[6]Bendsoe & Sigmund. Topology optimization theory methods andapplications[J]. springer, 2003

作者： 雨果cae  

来源新能源车振动与安全