基于优化分析的混合动力轿车电池包模态特性改进
王 力
广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广州 511434
摘 要：建立某混合动力轿车电池包结构有限元模型，进行模态分析，根据分析结果采用
OptiStruct对电池包结构进行拓扑优化。参考优化结果，提出了3种优化方案，根据此方案进行结构更改。更改后，结构一阶模态频率提升到24.5Hz。然后对该结构进行尺寸优化分析，得到最优的厚度分布。最终优化后，电池包结构一阶模态频率由6.4Hz提升到30.1Hz，且经强度分析验证，新结构满足设计要求。
关键词：电池包，模态特性，应变能，拓扑优化，尺寸优化 中图分类号：U463.63 文献标识码：A
Modal Characteristics Improvement for Pile-box
Structure of Hybrid Vehicle Based on the
Optimization Method
Wang Li
Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd Engineering Institute, Guangzhou 511434,China
Abstract: The finite element (FE) model of the pile-box of a hybrid vehicle is established,
in order to investigate its modal characteristics. The results turns out that the modal performance of the pile-box is not such good that it need to be enhanced. According to the topology optimization of the structure, three design schemes are proposed to get a better modal performance. Then, the size optimization is conducted, thus achieving the most appropriate structure. By checking the modal performance, it is turned out that the first order of the frequency is increased to 30.1Hz, in contrast with that first order of the frequency of the original structure is 6.4Hz. The result can meet the design need.
Keywords: Pile-box, Modal characteristic, Strain energy, Topology optimization, Size
optimization
1 引言
近年，国家大力发展新能源汽车。纯电动车和混合动力车型是两种最典型的新能源汽车，也是发展最快的，国内外已经陆续有量产车型的推出。对于这两种车型而言，电池系统是其
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核心部件之一，占据着重要的地位。
为了保证整车质量的平衡，电池包一般布置在白车身后地板上。承载式车身后悬架通常都安装于车身后地板，因此汽车在行驶时所产生的振动将直接传递至车身。车辆在低速行驶时，来自路面的激励频率一般为0~20Hz[1]，为了防止共振的产生，安装于后地板的电池包的固有频率必须避开路面激励的频率段。否则，如果电池包结构固有频率与路面激励重合，在行驶时会产生共振，将使结构发生异响，严重时还会引起零件断裂失效。
某B级混合动力轿车电池包横置于白车身后地板，其初始结构一阶垂直振动频率为6.4Hz，此频率明显偏低。综合运用拓扑优化和尺寸优化的方法，对该电池包进行结构优化，优化后的结构一阶垂直振动频率由6.4Hz提高至30.1Hz，有效避开了激励频率，获得满意的效果。
2 电池包模态分析
采用前处理软件HyperMesh建立电池包有限模型。电池包钣金件用shell单元模拟，钣金之间的连接螺栓使用RBE2单元通过建立Spider模拟。焊点采用CWELD单元模拟，焊点直径为6mm与实际焊点直径相同。电池模组采用实体单元模拟，有限元模型质量与实际质量一致。电池包中的一些塑料件、卡扣、绝缘件等非金属零件均简化处理，采用质量单元通过RBE3单元平均分配到到相应的安装点上。
电池包结构如图1所示（电池包的外罩和电池模组没有显示）。电池包整体安装固定于车身后地板上，其本体分为上下两部分，上部主要安装电池模组，上下两层之间用钢板隔开，下部为电路板和相关控制元件。整个结构质量主要集中于上半部分，其中隔板和两侧的固定支架对电池模组起支撑作用。
图1 电池包结构示意图
模态分析求解器为Nastran，采用Lanczos方法提取前9阶约束模态[2]，表1是各阶模态频率和振型的描述，其一阶模态振型如图2所示。
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表1 电池包模态分析结果
模态阶次
1 2 3 4 5 6 7 8 9
模态频率/Hz
6.4 10.4 15.3 22.1 29.1 38.7 43.3 51.8 63.9
模态振型
电池模组一阶横向扭转 电池模组一阶垂直扭转 电池模组局部横向弯曲 电池包外壳一阶纵向前后弯曲 外壳前后弯曲+电池组局部模态
电池模组二阶垂直扭转 电池包外壳二阶纵向前后弯曲
外壳弯曲+电池组扭转 电池包整体横向扭转
图2 电池模组一阶模态振型
综合考虑电池箱的结构与安装形式以及受到的激励作用，其电池模组一阶模态频率应该避开路面激励频率，至少应达到25~30Hz左右。而原始结构一阶模态频率仅为6.4Hz，明显偏低，容易被路面激励激起共振，因此需要对该电池包结构进行优化以提高其一阶模态频率。
3 电池包结构优化
结构优化的主要分方法有：拓扑优化、尺寸优化、形状优化和形貌优化。拓扑优化可以在给定的设计空间内找到最佳的材料分布，尺寸优化能使钣金件能达到合理的厚度分布[3]。本文采用拓扑优化和尺寸优化结合的方法优化电池包结构，以期能将结构一阶模态频率提高。
3.1拓扑优化
采用OptiStruct进行拓扑优化分析。通过优化计算，找到结构刚度不足的位置，然后进行加强，以提高电池包一阶模态频率。
为了确保模态振型不变，将电池固定支架和钣金件的基本厚度增加1mm，设置其基本厚度为3mm。优化目标为一阶模态频率值最大，设计变量为电池安装支架和钣金件的材料密度，约束条件是支架和钣金件增加厚度的体积分数最大值[4~6]。为了获得最佳的优化结果，分别取10%、20%、30%、40%四组不同体积分数值作为约束条件进行优化。表2列出了四
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种不同体积分数作为约束条件下优化完成后的目标函数值。
表2 不同约束条件下优化结果
编号 一阶频率/Hz
10% 1 14.8
体积分数 20% 2 20.4
30% 3 22.1
40% 4 22.6
四组优化分析结果一阶模态对应的振型均为横向扭转，与初始状态一致。通过对比，选定第4组体积分数为40%的优化结果作为结构优化改进的依据。优化迭代过程如图3所示，经拓扑优化，电池包一阶模态频率提升到22.6Hz。
图3 优化迭代过程
最后一步迭代后，结构应变能分布如图4所示。通过应变能分布云图可以显示结构中吸收能量最集中的部位，对应变能集中的地方加强就能提高局部刚度，从而可以对该位置的局部模态进行整改[7]。
图4 拓扑优化结果
从总体看，由于电池包主要重量集中在上半部分，电池模组重心较高，应变能分布不均匀；底部安装板应变能较大，且集中在中间部位；两侧支撑板对结构起重要支撑，其应变能较大。根据优化结果提出下列整改方案：
a.改变电池模组重心。电池模组重心过高，很容易引起横向翻转。根据表1中分析结果，一阶模态振型为横向扭转，此振型主要由电池组重心较高引起。因此，将其中一块电池模组移到下面一层，安装于底板上，使结构重量分布更合理，同时也能平衡两侧的结构，如图5所示。
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图5 结构修改示意图1
b.加强底板结构。根据应变能云图，底板中间位置应变能集中，是需要加强的位置。原结构整个电池组安装于底板上，底板无支撑，导致垂直方向上刚度偏弱。如图6所示，在底板中部增加两个加强板，以提高其刚度。
图6 结构更改示意图2
c.提高两侧支撑板刚度。两侧支撑板对于电池模组整体刚度有重要贡献，由于其安装空间较小，提高其刚度最经济的办法是增加钣金的厚度。因此，将结构厚度由1.5mm提高到3.0mm。
经以上优化改进后，进行模态分析验证，一阶扭转模态频率为24.5Hz，离目标值尚有差距，需要进一步优化。
3.2尺寸优化
在拓扑优化的基础上，对电池包结构进一步改进。为了避免结构改变过大，导致开发成本增加，或者对其他性能产生较大的影响，本次优化主要对关键钣金件厚度进行尺寸优化[8]。 将电池模组安装支架、支撑支架和安装地板等钣金件的厚度作为设计变量，考虑钣金件的工艺性，将厚度优化范围设置为1.0~3.0mm；约束条件是电池包一阶模态频率大于30Hz；目标函数为电池包结构总质量最小。经优化后，计算结果见表3。
表3 尺寸优化分析结果
名称 底板厚度/mm 支撑板厚度/mm 底板加强板厚度/mm 竖版厚度/mm 结构总质量/kg 一阶模态频率/Hz
优化前 1.5 2.0 1.5 2.0 77.5 24.5
优化后 2.0 3.0 2.0 1.5 78.5 30.1
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经尺寸优化后，一阶模态频率进一步提升到了30.1Hz，而结构总质量仅增加1kg，增重幅度为1.3%，对于总体结构的改变也在可接受范围内。
4 优化结果验证
经过拓扑优化和尺寸优化联合优化后，电池包结构一阶模态频率提升到了30.1Hz，满足目标要求。虽然结构模态性能获得了较大提升，但此优化需在不降低其他性能的前提下，才是最理想的效果。因此需要对优化后的结构强度进行分析，验证其结构强度性能是否满足要求。
由于电池包固定于车身后地板上，强度分析主要在三个典型工况下进行验证：工况一，5g（重力加速度）向下冲击；工况二，1g侧向加速；工况三，1g制动。图7~9是三种工况下，优化后结构应力云图，三种工况应力结果见表4所示。
图7 工况一应力云图（单位：MPa） 图8工况二应力云图（单位：MPa）
图9 工况三应力云图（单位：MPa）
表4 应力分析结果
材料屈服强度
工况名称 工况一 工况二 工况三
最大应力/MPa
/MPa
68.9 16.2 25.3
235 235 235
/MPa 162 162 162 材料疲劳极限
从以上分析结果可见，工况一是最恶劣工况，此时应力较大的位置主要出现在底板位置，由于在底板中部增加了两个加强板，使结构承受垂直方向载荷的能力有了很大加强，底板上最大应力为68.9MPa。电池包内部钣金件的材料为Q235，材料屈服强度为235MPa，在50%和99%的存活率下Q235材料的疲劳极限分别为168MPa和162MPa[9~10]。显然，这三种典
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型工况下，结构最大应力都远小于材料的疲劳极限，满足设计要求。
5 结论
（1）采用拓扑优化和尺寸优化联合优化的方法对混合动力轿车电池包结构进行优化，使其一阶模态频率由6.4Hz提升到30.1Hz，性能有较大提升，而电池包仅增重1.3%；同时，优化后的结构满足强度要求。
（2）优化方法的应用，对于电池包模态特性的改善具有显著的效果，可广泛应用于同类结构的设计。
（3）本文的研究尚未考虑结构变更对电池包系统温度场的影响，有待于下一步的深入研究。
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