拓撲優化動力電池輕量化箱體設計

Topology Optimization Designof Light Weight Power Battery Pack

 

 

摘  要：動力電池是電動汽車關鍵重要部件，是電動汽車能量儲藏的載體；其振動性能關系到整車安全，其重量及能量密度關系到整車動力性經濟性等指標。拓撲優化作為有效的CAE優化方法使用，對結構設計指導意義明顯。在某動力電池箱體結構設計中，采用Altair拓撲優化方法OptiStruct對箱體進行優化。模態最大化分析一階模態頻率可提高至原結果2.03倍，重量最小化設計空間材料剔除率83.8%；對單根梁截面的拓撲優化也具有較大參考價值。根據箱體拓撲優化分析結果重新設計后，整包模態由44.60Hz提高為56.48Hz，模態優化提高11.88Hz，滿足高于50Hz的要求；梁截面優化后電池箱體梁框架重量由54.31kg降低至39.56kg，降重27.2%，且模態僅降低4.43Hz至52.05Hz，滿足50Hz設計指標前提下避免了保留過大的設計冗余，更好的提高了電池系統能量密度。

 

關鍵詞：拓撲優化；動力電池；輕量化；模態； 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

動力電池是電動汽車關鍵重要部件，是電動汽車能量儲藏的載體。目前動力電池系統重量整車占比30%以上，而整車重量與動力性、經濟性等指標密切相關，最終影響電動汽車的續航里程。增加電動汽車續航里程，提高整車輕量化水平是非常重要的方向[1]；作為整車的一部分，電池系統在增加電池能量及基礎上進行輕量化處理，是延長電動汽車續航里程的重要舉措。整車及動力電池箱體設計早期多采用普通鋼材設計，以得到更好的結構耐久及防撞性能；隨著節能環保概念深入人心，高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料等的應用在汽車行業應用范圍越來越高[2]。隨著電池系統設計技術發展，在保證一定振動疲勞及安全性能的基礎上進行輕量化設計成為技術發展主要方向，鋁合金在電池箱體設計中的應用引起廣泛重視。

拓撲優化（topologyoptimization）是基于既定負載、約束和目標，在設計區域內對空間材料分布進行優化的一種數學方法。1904年Michell在桁架理論中首次提出了拓撲優化的概念，基于CAE仿真技術發展越來越多應用于汽車設計過程中，國內外學者使用該優化技術對客車車身骨架、汽車吸能結構等進行研究，取得較好輕量化成果[3-6]。動力電池箱體作為承載電池單體或模組的機械結構，具有保護內部結構免受沖擊碰撞破壞、保證電池系統正常運行的重要作用；但同時箱體本身并不是能量儲藏部件，需要盡量輕量化以降低電池系統的重量。使用拓撲優化技術可為電池箱體輕量化設計提供設計方向指導，對電池系統設計非常重要。

基于拓撲優化技術對某動力電池箱體進行分析，基于電池箱體耐振動疲勞性能提高為第一要素，箱體優化以模態最大化和重量最小化作為兩種分析工況。分析結果表明：在重量限制條件下，模態最大化分析一階模態頻率可提高至原結果2.03倍；在模態限制條件下，重量最小化設計空間材料剔除率83.8%。對于單根梁截面的拓撲優化顯示了傳力路徑，具有較大的參考價值。根據拓撲優化分析結果，對箱體設計進行了優化，整包模態由44.60Hz提高為56.48Hz，模態優化提高11.88Hz，滿足高于50Hz的要求；梁截面優化電池箱體梁框架重量由54.31kg降低至39.56kg，降重27.2%；梁截面優化后模態僅降低4.43Hz至52.05Hz，滿足50Hz設計指標前提下避免了保留過大的設計冗余，以更好的提高電池系統能量密度。拓撲優化對結構設計指導意義明顯。

 

1 優化問題定義

某電池箱體設計過程中，概念設計一階約束模態計算值44.60Hz，從整車模態分布及隔離的角度，該模態頻率已滿足要求。但由于考慮到電池系統的輕量化設計，本電池箱體采用鋁型材作為主要設計材料；鋁型材的抗拉及疲勞極限遠小于鋼材，為滿足電池系統的振動疲勞性能，基于前期經驗及電池箱體的多次仿真計算，需將電池箱體在重量最小的情況下將模態提升至50Hz以上。

基于本設計優化需求，整個箱體優化問題按模態最大化和重量最小化兩方面進行定義，互相驗證并為結構設計提供參考。設置重量最小化約束條件為第一階模態頻率小于60Hz，設置模態最大化分析約束條件為重量小于520kg。設計區域為箱體及梁的包絡空間，模組的重量作為負載加到箱體上，而箱體與車身連接點作為非設計區域并賦以固定約束以計算約束模態。

在根據以上拓撲優化結果進行結構設計后，為進一步降低電池箱體重量，對單根梁進行細化分析，以保留主要承力位置，確定鋁型材截面形狀。梁截面拓撲優化約束條件為應力小于材料疲勞強度限值50MPa，優化目標為重量最小化；設計區域為梁截面；箱體與模組連接點位置加載模組重量作為設計負載，梁兩端約束作為計算應力的邊界，梁兩端及模組連接位置作為拓撲優化分析的非設計區域。

 

     圖1 拓撲優化設計空間

 

2 拓撲分析

2.1重量最小拓撲分析

對電池箱體進行重量最小拓撲優化，優化迭代進行30次后，重量由720.1kg降低至507.4kg，模態頻率由109.5Hz穩定在60.2Hz；輕量化分析電池包可降重由于電池箱體與車身連接點位于電池箱體高度維度的下部區域，電池箱體梁的設計遵循拱形橋的結構將是提高電池系統模態的關鍵。中部位置需要較高的梁高度，而橫梁相比縱梁在提高整體模態上具有更高的效能。當然，由于考慮到選用鋁型材作為箱體設計材料，且設計中未考慮管路線束等的重量，直接按拓撲優化結果重量目標定義為507kg顯然是不合適的。

圖2 重量最小拓撲優化

 

2.2模態最大拓撲分析

對箱體進行模態最大拓撲優化，優化迭代進行22次后，模態頻率由31.3Hz提升到63.5Hz，一階模態頻率值提高2.03倍，重量保持在520kg不變。由模態最大拓撲優化和重量最小拓撲優化兩個方向的CAE拓撲優化分析結果可以看到，將箱體一階模態設計到50Hz甚至60Hz以上是完全可行的，且系統重量控制在507-520kg是比較合理的。由于進行2個計算時，加載重量為460.8kg，箱體重量在46-59kg，占比9-11%，箱體成組效率是比較優秀的。考慮到目前優化一階模態結果在60-63Hz之間，箱體重量在后期仍有一定的降低空間；而兩者拓撲優化最終結果對比，電池箱體主要傳力路徑基本一致，且上蓋板（特別是中心區域）對模態影響較大。

圖3 模態最大拓撲優化

 

2.3梁截面拓撲分析

對梁截面進行重量最小拓撲優化，優化迭代進行20次，重量由0.455kg降低至0.079kg，材料保留率17.4%，應力值由30.3MPa增加并穩定在41.8MPa水平。由拓撲優化結果，與安裝平面平齊位置筋對模組承載梁起到最大加強作用；由于拓撲分析區域僅是實際梁的一半，加上對稱于圖示區域的梁后，兩區域將達到兩側受力平衡，承載效果良好。在梁截面設計時參考本優化分析結果并考慮一定的穩定性設計，可獲得較好的輕量化效果，主要的受力傳遞結構僅一條梁即足夠。

圖4 梁截面拓撲優化

 

3 設計優化

根據拓撲優化結果對電池系統箱體進行設計。考慮到中間區域梁的高度及箱體上蓋對整車模態的加強作用，將模組之間以連接板連接，并與上蓋相連；對于內部梁與電池包邊梁的連接，只要連接位置高于外部車身與電池連接面即可，而斜切的位置可用于管路布置；將電池包橫梁分為上下兩段，上段內部橫梁可發揮上部連接傳力作用提高模態；為發揮上部需要一定梁高度以提高高度特點，將電池包中部與車身橫梁相連，共同組成框架梁結構。由于采用梁框架結構可有效降低覆蓋件厚度和重量，不需要過厚的電池包上蓋和底板承載；根據拓撲優化分析結果，對箱體設計進行了優化，整包模態由44.60Hz提高為56.48Hz，模態優化提高11.88Hz，滿足高于50Hz的要求。

由于本電池包外形尺寸大（約為2000*1700mm），即使以輕量化材料鋁進行計算，每降低1mm覆蓋件厚度，將降低重量9.18kg，是非常有效的輕量化措施。對電池包結構覆蓋件進行有效減重后，為進一步降低電池系統重量，提高電池能量密度，基于內部梁截面優化結果，對原本基于經驗設計復雜的梁截面進行了簡化，僅保留主要傳力結構及其他必備的起到結構穩定作用的梁截面。電池箱體梁框架重量由54.31kg降低至39.56kg，降重27.2%；梁截面優化后模態僅降低4.43Hz至52.05Hz，滿足50Hz設計指標的前提下避免保留過大的設計冗余，以更好的提高電池系統能量密度。三版不同設計的主箱體一階模態頻率振型如圖5所示。

圖5 設計優化結果仿真驗證

 

4 結論

拓撲優化作為有效的CAE優化方法得到證實，在汽車行業也得到較多應用。在某動力電池箱體結構優化提高振動性能及降重設計中，使用Altair公司OptiStruct軟件，以模態最大化和重量最小化兩種分析工況進行分析；在重量限制條件下，模態最大化分析一階模態頻率可提高至原結果2.03倍；在模態限制條件下，重量最小化設計空間材料剔除率83.8%；對單根梁截面的拓撲優化得到可得到其傳力路徑，這對梁截面的優化具有較大參考價值。根據拓撲優化分析結果，對箱體設計進行了優化，整包模態由44.60Hz提高為56.48Hz，模態優化提高11.88Hz，滿足高于50Hz的要求；梁截面優化電池箱體梁框架重量由54.31kg降低至39.56kg，降重27.2%；梁截面優化后模態僅降低4.43Hz至52.05Hz，滿足50Hz設計指標的前提下避免保留過大的設計冗余，以更好的提高電池系統能量密度。拓撲優化對結構設計指導意義明顯。

 

參考文獻

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[2]武萬斌,年雪山. 汽車輕量化技術發展趨勢 [J]. 《汽車工程師》, 2017(1):15-17

[3]王登峰,毛愛華,牛妍妍,魏建華,等 基于拓撲優化的純電動大客車車身骨架輕量化多目標優化設計[J]. 《中國公路學報》, 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  

來源新能源車振動與安全