电动汽车电池箱体的设计与有限元分析开题报告

全文总字数：3295字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着社会的发展,环境污染和能源短缺问题越来越严重,建立环境友好型社会迫在眉睫。对于汽车行业来说,新能源汽车和汽车的轻量化成为未来发展的重要方向，新能源汽车技术经历了百花齐放的探索期后，主流技术已逐步清晰，实现汽车动力电气化，发展电动汽车是其总体趋势和战略重点，这在国际上已形成共识。动力蓄电池箱作为电动汽车能量供给的关键设备，其结构设计应满足多变运行环境和行驶工况下的机械承受、工作安全性、可靠性要求。同时单位装备质量的电荷量小，使电动汽车自身装备质量大，从而影响加速性能和最高车速的提高。本研究以某电动汽车的电池箱为例，利用有限元法对电池箱的强度进行仿真分析，并针对电池箱强度不足的部位，通过结构局部改进设计，改善了应力集中，保证了电池箱的强度。最后，通过结构分析方法，优化设计了对电池箱重量的尺寸参数，减轻了电池箱的质量。

国内外对于电池箱体进行了诸多方面的研究，包括结构优化、电池箱体复合材料研究、热特性分析、碰撞分析等等。本文将针对电池箱强度不足的部位，通过结构局部改进设计，对于电池箱体的结构进行化,应用了有限元分析方法进行受力分析，改善了应力集中，保证了电池箱的强度。 上汽大众的赵传军探讨了电池箱体的下一步研究方向是以复合材料的应用、新型密封材料的应用和提升动力电池箱的性能为目的[1]；在结构方面，兰凤崇探讨了电池包在碰撞过程中箱体内部及结构的变形与响应规律，结果表明，电池包撞击侧吊耳、内架、螺钉和池模组均发生了不同程度的变形，电池触点及附属构件安装点处加速度峰值过大[2]；电池包拆装方面，M. Alfaro-Algaba提出了一种模型，用于设计用于再制造的电动汽车电池包装的拆卸过程，从而从该过程中获得最高的经济收益，同时对环境的影响最小[3]；为了弥补性能需求，赵柳使用改进的粒子群优化和替代建模技术，开发了一种考虑两个尺度上的设计变量的设计优化程序。通过提出的多尺度优化程序实现的碳纤维增强聚合物电池盒的结构实现了22.14%的重量损失，并以高可靠性满足了性能要求[4]；电池箱的重量也是一大研究重点，为了减轻电池箱的重量，徐爱杰在电动汽车两种典型的工况下,分别对电池箱的初始模型进行动静特性分析。由动静特性分析结果可知,电池箱初始模型的箱框和侧围边框的结构设计不满足电池箱的设计要求,故需进一步对电池箱箱框和侧围边框进行结构优化分析。最后,基于电池箱初始模型动静特性分析的结果,采用拓扑优化和形貌优化相结合的方法对电池箱初始模型进行优化,然后根据拓扑优化和形貌优化的结果修改电池箱箱框和 侧围边框的结构,得到电池箱的改进模型。研究结果表明,在同一工况下,经过优化的Q235 材料制成的箱框最大应力小于Q235的许用应力,其最大变形量降低了 77%左右,最大应力降低了 31%左右,一阶模态固有频率提高36.8%,满足电池结构设计的要求;箱框连接梁的质量减轻了 33.33%,加强纵梁和侧围边框质量减轻了 25%。优化后的电池箱箱框和侧围边框既达到了电池箱设计要求结构强度,又满足了电动汽车电池箱箱体轻量化设计的目的[5]；材料对质量的影响也很大，李明秋对电池包下箱体采用碳纤维复合材料进行制造,着重研究碳纤维的铺层组形状、厚度和合理的铺层顺序, 用以匹配现有钣金箱体在各种典型静态、动态工况下的强度和模态要求,同时力求大幅减轻箱体的总重量，优化后的电池包箱体在最极端工况下的变形量仅为4.05mm,最大等效应力为136.9MPa,第一阶固有频率为32.5Hz,其静刚度、静强度和动刚度的表现都较为出色,减重比达到了66.61%,轻量化效果显著[6]；姜 高 松 运用Opti Struct分别对动力电 池箱进行了尺寸优化和形貌优化,对优化之后的结果重新进行建模及有限元分析,并与优化之前的结果进行对比分析,优化之后的电池箱在满足强度的前提下有效提高了其刚度, 并且达到了轻量化的效果,证明了优化的可行[7]；胡旭基于模态分析理论建立了电动汽车动力蓄电池箱体有限元仿真模型,并对电池箱体进行了模态分析,得到电池箱体前10阶固有频率和振型。结果表明：作用在电动汽车动力蓄电池箱体的动态激励频率明显偏离电动汽车动力蓄电池箱体的固有频率,故正常运转的电动汽车动力蓄电池箱体不会产生共振现象[8]；为了减轻电池箱质量，王品健结合电池包各结构件的功能属性与结构特征,通过更换铝合金材料以及形貌、拓扑、尺寸优化等CAE仿真方法对电池包中的不同结构件进行优化,使电池包在保持良好静态性能的条件下,整体质量减轻6.2%,且动态性能得到明显改善[9]。李水提出了一种设计优化方法，以优化电池组外壳的机械设计特征（例如，质量最小化，最小固有频率最大化和最大变形最小化）[10]；电池箱的散热性也至关重要，金英杰设计了一种纯电动汽车电池箱体模型，采用风冷散热和相变材料散热相结合的方式保证电池工作在适宜温度，通过仿真分析动力电池在高倍率放电时随着冷却风扇风速的增加电池的温度有所降低，当风速在4m/s时仍具有较好的散热效果，仿真分析发现该箱体具有良好的散热表现[11]；ShashankArora的研究表明在模块级别划分区域，并且细胞间隔物应集成在细胞水平，这提供机械保护以防止热失控传播。这意味着电池组应该是在模块级别划分区域，并且细胞间隔物应集成在细胞水平，这提供机械保护以防止热失控传播[12]。 在众多研究中，章丽对低地板公交大巴车电池箱进行研究，使其结构更优化并进行仿真分析最后实际检验发现性能可靠[13]；此外，张瑞通过对箱体上盖进行形貌优化设计，在其表面以最佳方式设置加强筋，极大的提高了电池包箱体的固有频率，避免了因 路面不平度对电池包箱体的激振[14]；在电池箱强度方面，王兵运用Solidworks Simulation软件对初步设计的电池箱进行强度分析,来验证它是否达到所设定的条件,对薄弱环节更改设计,从而使电池箱整体满足车辆运行的工况要求[15]。

2. 研究的基本内容与方案

针对某款电动汽车汽车的电池箱，根据已有参数，建立三维模型，做出二维图纸。

利用有限元法对电池箱的强度进行仿真分析，并针对电池箱强度不足的部位，通过结构局部改进设计，改善了应力集中，保证了电池箱的强度。

最后，通过结构分析方法，优化设计了对电池箱重量的尺寸参数，减轻了电池箱的质量。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 赵传军，张毅翔.纯电动汽车动力电池箱体的设计研究[J].上海汽车, 2019(12):2-6； [2] 兰凤崇 、刘金、 陈吉清、 黄培鑫. 电动汽车电池包箱体及内部结构碰撞变形与响应分析[J] 华南理工大学学报（自然科学版），2017,45(2):1-8. [3] M. Alfaro-Algaba; F. Javier Ramirez. Techno-economic and environmental disassembly planning of lithium-ion electric vehicle battery packs for remanufacturing. Resources, Conservation . [15] 王兵、蒿豪、姚一一、顾嘉玮. 电动汽车电池箱仿真分析及设计优化[J]. 装备机械, 2014(4):50-55.