一种电动汽车电池包壳体轻量化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种电动汽车电池包壳体轻量化设计方法，属于电池包设计方法技术领域。本发明专利技术的技术方案是：（1）建立电池包壳体有限元模型；（2）建立电池包壳体有限元模型的验证条件；（3）判断电池包壳体有限元模型是否同时满足电池包壳体有限元模型所有验证条件，若否，则重新生成电池包壳体各部件的材料属性、壁厚以及有限元模型，并返回步骤（1），若是，则进入步骤（4）；（4）重复步骤（1）至步骤（3），得到具有多种材料属性和壁厚组合的有限元模型；（5）对有限元模型进行试验设计，并优化电池包壳体各部件的材料属性。本发明专利技术的有益效果是：有利于减少工程实际中复杂结构电池包壳体的试验次数，降低产品开发成本，缩短产品开发周期。缩短产品开发周期。缩短产品开发周期。

【技术实现步骤摘要】
一种电动汽车电池包壳体轻量化设计方法


[0001]本专利技术涉及一种电动汽车电池包壳体轻量化设计方法，属于电池包设计方法


技术介绍

[0002]随着社会的发展，环境污染问题越来越受到重视，由于石油等不可再生资源不断消耗凸显出来的能源短缺问题也越来越引起关注。以美国、中国、欧盟、日本为代表的国家和地区纷纷开始转型，相继将新能源汽车上升为国家战略，作为缓解能源压力、减轻环境污染的重要手段之一，并陆续出台了一系列政策措施鼓励新能源汽车的发展和市场推广。电动汽车作为新能源汽车中的典型代表，具有零排放、效率高等突出优点，已逐渐成为世界各大汽车公司研究和发展的重要方向。考虑多种工况的电动汽车轻量化设计也成为目前的研究热点。
[0003]对传统燃油汽车而言，整车质量减少10％，可节省燃油6％
‑
8％；而对于电动汽车，有研究表明其整车重量每降低10kg，续航里程可增加2.5km，这不仅能够减少电池的更换次数，还能够降低电池的使用成本，同样整备质量情况下也可以配置更多的电池模组。电池包系统作为电动汽车的关键核心零部件之一，其性能好坏对电动汽车的续航里程和安全性能有着直接影响。但是，目前商业化的电池包系统质量和体积普遍较大，对其进行轻量化设计可以在同样整备质量的前提下安装容量更大的电池，提升电动汽车的续航能力。在目前电池能量密度提高较困难的情况下，对电池包结构进行轻量化设计来减轻整车重量并提升行驶安全性能显得十分必要。
[0004]近年来，国内外专家学者对电池包轻量化设计开展了较为系统的研究，包括减小壁厚、采用5052系列铝合金作为电池包壳体材料、对顶盖、托架和横梁等部件分别进行了形貌和尺寸优化、加强筋重新布局等方法。
[0005]目前的研究主要集中于对电池包的某些部件进行结构优化设计，提高电池包壳体的固有频率和机械性能，选用铝合金等轻量化材料对其进行轻量化设计等；而尚未系统地开展其他轻量化材料如高强钢的选材研究，尤其是高强钢中不同牌号材料的组合选用较少，这使得高强钢材料在电池包轻量化研究中具有较大的提升空间。尽管铝合金具有密度小、比强度和比刚度高以及抗冲击性能好等优点，但铝合金在电池包壳体上的应用需要较先进的连接工艺和较大的制造成本投入。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是提供一种电动汽车电池包壳体轻量化设计方法，有利于减少工程实际中复杂结构电池包壳体的试验次数，降低产品开发成本，缩短产品开发周期，有效地解决了
技术介绍
中存在的上述问题。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种电动汽车电池包壳体轻量化设计方法，包含以下步骤：
[0008](1)建立电池包壳体有限元模型；
[0009](2)建立电池包壳体有限元模型的验证条件；
[0010](3)判断电池包壳体有限元模型是否同时满足电池包壳体有限元模型所有验证条件，若否，则重新生成电池包壳体各部件的材料属性、壁厚以及有限元模型，并返回步骤(1)，若是，则进入步骤(4)；所述材料为高强钢材料；所述材料属性包括材质、材质屈服强度、材质抗拉强度、材质弹性模量、材质泊松比、材质密度以及本构模型；
[0011](4)重复步骤(1)至步骤(3)，得到具有多种材料属性和壁厚组合的有限元模型；
[0012](5)对有限元模型进行试验设计，并优化电池包壳体各部件的材料属性。
[0013]所述步骤(1)中，建立电池包壳体有限元模型的步骤如下：
[0014]①
获取电池包壳体三维均质化模型；电池包壳体的部件包括上盖、下壳体、若干纵梁、若干横梁、上支架和若干托架，上盖和下壳体组成腔体，上支架布置在腔体内，将腔体分隔为若干子空间，纵梁和横梁布置在子空间内，将子空间分隔成若干电池放置单元并提高系统刚度与强度，一个电池放置单元内供一组电池放入；
[0015]②
对电池包壳体三维均质化模型进行几何清理；
[0016]③
对几何清理后电池包壳体三维均质化模型进行网格划分；
[0017]④
添加电池包壳体各部件的连接约束，述连接约束包括接触和间隙，其中接触表示两个部件相接触，间隙表示两个部件不接触；
[0018]⑤
添加各部件的材料属性和壁厚；
[0019]⑥
基于步骤
②
至步骤
⑤
，建立有限元模型；
[0020]⑦
计算有限元模型的节点位移q(t)；有限元模型位移q(t)满足下式：
[0021][0022]式中，M表示有限元模型的质量矩阵；C和K分别表示模型的刚度和阻尼矩阵；q(t)和F(t)分别表示节点位移和外载荷；
[0023]其中，有限元模型的质量矩阵M如下所示：
[0024][0025]式中，V
e
为体积；e表示有限元单元；N为形状函数矩阵；T'为连续体的壁厚；上标T表示转置；ρ为连续体的密度；
[0026]有限元模型的刚度矩阵C如下所示：
[0027][0028]式中，μ为连续体的阻尼系数；
[0029]有限元模型的阻尼矩阵K如下所示：
[0030][0031]式中，D和B分别表示弹性矩阵和应变
‑
位移矩阵；
[0032]节点外载荷F(t)如下所示：
[0033][0034]式中，S
δ
为边界；b和P分别表示体积V
e
和边界S
δ
上的分布外载荷；
[0035]⑧
计算电池包壳体结构的位移场u(x,y,t)、应变场ε(x,y,t)和应力场σ(x,y,t)，分别如下所示：
[0036]u(x,y,t)＝N(x,y)q(t)
[0037]ε(x,y,t)＝B(x,y)q(t)
[0038]σ(x,y,t)＝Dε＝DB(x,y)q(t)
[0039]式中，D为弹性矩阵，t为时间；ε
[0040]弹性矩阵D如下所示：
[0041][0042]式中，E为弹性模量。
[0043]所述步骤(2)中，电池包壳体有限元模型的验证条件包括以下八种：
[0044]①
确认有限元模型材料属性的正确性；
[0045]②
确认集中质量单元的质量、惯性特性和弹性单元的刚度；
[0046]③
确认单元的连续性和整体结构的正确性；
[0047]④
确认约束的合理性和约束自由度的正确性；
[0048]⑤
确认有限单元是否正确；
[0049]⑥
确认多点约束是否正确；
[0050]⑦
确认单元和约束的参考坐标系正确；
[0051]⑧
确认有限元模型没有奇异点。
[0052]所述步骤(5)中，优化电池包壳体各部件的材料属性，基本步骤如下：
[0053]①
利用基于载荷谱加载的振动分析方法对有限元模型进行随机振动分析；
[0054]②<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电动汽车电池包壳体轻量化设计方法，其特征在于包含以下步骤：(1)建立电池包壳体有限元模型；(2)建立电池包壳体有限元模型的验证条件；(3)判断电池包壳体有限元模型是否同时满足电池包壳体有限元模型所有验证条件，若否，则重新生成电池包壳体各部件的材料属性、壁厚以及有限元模型，并返回步骤(1)，若是，则进入步骤(4)；所述材料为高强钢材料；所述材料属性包括材质、材质屈服强度、材质抗拉强度、材质弹性模量、材质泊松比、材质密度以及本构模型；(4)重复步骤(1)至步骤(3)，得到具有多种材料属性和壁厚组合的有限元模型；(5)对有限元模型进行试验设计，并优化电池包壳体各部件的材料属性。2.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池包壳体轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，建立电池包壳体有限元模型的步骤如下：
①
获取电池包壳体三维均质化模型；电池包壳体的部件包括上盖、下壳体、若干纵梁、若干横梁、上支架和若干托架，上盖和下壳体组成腔体，上支架布置在腔体内，将腔体分隔为若干子空间，纵梁和横梁布置在子空间内，将子空间分隔成若干电池放置单元并提高系统刚度与强度，一个电池放置单元内供一组电池放入；
②
对电池包壳体三维均质化模型进行几何清理；
③
对几何清理后电池包壳体三维均质化模型进行网格划分；
④
添加电池包壳体各部件的连接约束，述连接约束包括接触和间隙，其中接触表示两个部件相接触，间隙表示两个部件不接触；
⑤
添加各部件的材料属性和壁厚；
⑥
基于步骤
②
至步骤
⑤
，建立有限元模型；
⑦
计算有限元模型的节点位移q(t)；有限元模型位移q(t)满足下式：式中，M表示有限元模型的质量矩阵；C和K分别表示模型的刚度和阻尼矩阵；q(t)和F(t)分别表示节点位移和外载荷；其中，有限元模型的质量矩阵M如下所示：式中，V
e
为体积；e表示有限元单元；N为形状函数矩阵；T'为连续体的壁厚；上标T表示转置；ρ为连续体的密度；有限元模型的刚度矩阵C如下所示：式中，μ为连续体的阻尼系数；有限元模型的阻尼矩阵K如下所示：式中，D和B分别表示弹性矩阵和应变
‑
位移矩阵；
节点外载荷F(t)如下所示：式中，S
δ
为边界；b和P分别表示体积V
e
和边界S
δ
上的分布外载荷；
⑧
计算电池包壳体结构的位移场u(x,y,t)、应变场ε(x,y,t)和应力场σ(x,y,t)，分别如下所示：u(x,y,t)＝N(x,y)q(t)ε(x,y,t)＝B(x,y)q(t)σ(x,y,t)＝Dε＝DB(x,y)q(t)式中，D为弹性矩阵，t为时间；ε弹性矩阵D如下所示：式中，E为弹性模量。3.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池包壳体轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，电池包壳体...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴磊，刁可山，李言波，王海龙，许强，孟庆义，张洪杰，逯志强，李大伟，
申请(专利权)人：河钢股份有限公司唐山分公司，
类型：发明
国别省市：