电动汽车复合材料电池箱的轻量化设计及散热性能优化.pdfVIP

摘要

在环境污染和能源消耗日益严重的今天，全球范围内都对新能源电动汽车的

发展寄予厚望。在此过程中，电池的安全性与稳定性逐渐受到广泛关注。电池箱

能够在恶劣的外部环境中保护电池模组免受物理损伤和化学腐蚀，为电池模组提

供安全稳定的工作环境，确保电池模组保持最佳工作状态。除安全性外，电池箱

的质量与电动汽车的续航里程息息相关，通过减轻电池包总重量可以降低能耗，

从而提升电动汽车的续航里程，所以轻量化是电池箱设计的重要原则之一。

碳纤维复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀以及可设计性好等优

点，在提升电池箱的结构性能和实现电池箱轻量化方面展现出显著优势。利用碳

纤维复合材料进行电池箱优化设计，能显著提升电池系统的轻量化水平。

本文研究工作基于GB/T38031-2020电动汽车用动力蓄电池安全要求以及电

动汽车在实际行驶过程中的各种工况，通过对电池箱仿真分析应力应变结果评估，

来判断电池箱各构成部分的刚度、强度以及安全性是否达到标准，并根据电池箱

存在的问题对电池箱上箱盖和下箱体进行相应的优化设计，同时设计电池箱强制

串行风冷方案，解决优化后电池箱的散热问题。以下是本文主要研究内容和结论：

（1）选择某款商用电动汽车的电池箱作为研究对象，对电池箱几何参数进

行准确测量，利用SolidWorks建立电池箱三维模型。将电池箱模型导入前处理

软件HyperMesh中进行精细的网格划分处理，并根据实际情况赋予材料属性，

然后赋予电池箱各部分的连接关系（焊点、焊缝、螺栓连接），完成电池箱有限

元模型的建立。

（2）基于电动汽车在实际行驶过程中各种常见的工况，在有限元软件

Abaqus和HyperMesh中，对电池箱进行静强度分析（颠簸工况、急转弯工况、

紧急制动工况）、模态分析、随机振动分析以及挤压分析。根据仿真分析结果，

极端工况时电池箱大部分区域所受应力小于90MPa，设计偏于保守；电池箱一阶

模态仅有22.65Hz，正常行驶时受到路面激励容易发生共振，需要提升至30Hz以

上；横向挤压时电池箱连接处为高应力区域，存在断裂风险，需要对材料分布进

行优化。

（3）在深入研究有限元分析结果基础上，针对存在的问题对电池箱进行系

统性优化设计。基于Optistruct软件对上箱盖采取两种优化策略，分别为形貌优

化和尺寸优化。通过形貌优化设计上箱盖的加强筋以提升电池箱整体的一阶模态

频率，避免发生共振；通过尺寸优化确定上箱盖的最佳厚度，优化后上箱盖的厚

度由2mm减为1.5mm。在电池箱下箱体优化过程中，采取了材料替换的策略。

将原电池箱的Q235替换为T300碳纤维布/5222环氧树脂基复合材料。在材料替

换的基础上，运用自由尺寸优化和尺寸优化的方法，对碳纤维复合材料进行设计，

尽可能实现电池箱轻量化的设计目标。

（4）根据优化后的结果，重新建立电池箱三维模型，并在有限元软件中对

优化后的电池箱再次进行仿真分析，仿真结果显示新电池箱在安全性方面达到了

预期的要求，具体而言，电池箱整体一阶模态频率显著提升，提高至41.13Hz，

避免了在行驶过程中发生共振；挤压分析时，电池箱的最大位移分别由50.03mm、

27.12mm降低至30.01mm、22.03mm；同时优化后的电池箱减重达到了27.1%。

（5）针对优化后电池箱散热性能较差的问题对电池箱内部散热系统进行设

计，包括电池模组布置以及箱体内风扇的排布方式。建立磷酸铁锂电池电热耦合

模型，通过不同的风扇排布方式，使密闭电池箱内部形成不同的空气内循环。最

佳风扇排布方式与无风扇情况相比，最高温度降低9.4℃。

关键词：电池箱；碳纤维复合材料；有限元分析；轻量化设计；散热设计

Abstract

Intodaysworldwhereenvironmentalpollutionandenergyconsumptionare

becomingincreasinglysevere,therearehighexpectationsforthedevelopmentofnew

energyelectricvehiclesglobally.Inthisprocess,thesafetyandstabilit