电动汽车车架及电池箱轻量化设计研究.pdf

2023年10月西安交通工程学院学术研究Oct.2023第 8 卷第 3 期Academic Research of Xian Traffic Engineering InstituteVol.8No.3作者简介：作者简介：赵树萍（1990-），女，讲师，研究生，机械设计及制造。电电动动汽汽车车车车架架及及电电池池箱箱轻轻量量化化设设计计研研究究赵树萍，余晨丽(西安交通工程学 陕西西安 710300)摘摘要要：随着环保意识的提升，人们越来越追求绿色低碳出行，新能源汽车已成为未来交通发展的主要方向。目前纯电动汽车常用的电池，均存在比能量和比功率偏小的问题，制约了电动汽车加速性能的提高和续航里程的增加，轻量化设计对于节能减排和提高电动汽车的动力性能具有重要的意义。本文主要研究通过结构优化对电动汽车车架及电池箱进行轻量化设计，首先在 SolidWorks 中对某型纯电动乘用车的车架和电池箱进行建模，并利用 simulation 做了静应力分析，确定优化设计的空间，通过分析结构特点确定车架采用拓扑优化，电池箱采用尺寸优化的方法进行轻量化设计。车架在拓扑优化的过程中，从相对质量密度的等值图解中看到可以移除的材料多在梁的中部，因此在优化设计时采用中空的型材，壁厚 5mm，同时车架前后的横板用横梁代替，并增加了圆角过渡，减少应力集中。优化后的车架通过静应力分析验证了其强度和刚度，优化后车架的质量为 154Kg，减重 76.6%。电池箱主要对电池定位壳、内箱体和外箱体进行壁厚优化，取不同典型工况下得到的符合许用应力范围的最小壁厚中的最大值，最后确定优化后的电池定位壳壳厚 T定=1mm，优化后质量为 1.75 Kg，减重 74.89%；内箱体侧板厚 T内=4mm，优化后质量为 30.85 Kg，减重 40.28%；外箱体侧板厚 T外=4mm，优化后质量为 19.59 Kg，减重 46.2%。研究可为同类电动车的轻量化设计提供参考。关关键键词词：电动汽车；车架；电池箱；轻量化设计；结构优化中中图图分分类类号号：TH122文文献献标标识识码码：AResearch on Lightweight Design of Electric Vehicle Frame andBattery BoxZHAO Shuping,YU Chenli(Xian Traffic Engineering Institute,Xian Shaanxi 710300,China)Abstract：With the improvement of environmental awareness,people are increasingly pursuing green and low-carbon travel,andnew energy vehicles have become the main direction of future transportation development.At present,the battery commonly used inpure electric vehicles has the problem of small specific energy and specific power,which restricts the improvement of theacceleration performance of electric vehicles and the increase of the driving range.Lightweight design is of great significance forenergy saving and emission reduction and improving the power performance of electric vehicles.This paper mainly studies thelightweight design of the frame and battery box of an electric vehicle through structural optimization.First,the frame and battery boxof a pure electric passenger car are modeled in SolidWorks,and the static stress analysis is carried out through simulation todetermine the space for optimization design.Through the analysis of structural characteristics,it is determined that the frame adoptstopology optimization and the battery box adopts dimension optimization to carry out lightweight design.In the process oftopological optimization of the frame,it can be seen from the equivalent diagram of the relative mass density that the material thatcan be removed is mostly in the middle of the beam.Therefore,hollow profiles are used in the optimization design,and the wallthickness is 5mm.At the same time,the transverse plates before and after the frame are replaced by beams,and the rounded cornertransition is increased to reduce stress concentration.The strength and stiffness of the optimized frame were verified by static stressanalysis.The weight of the optimized frame is 154Kg,and the weight is reduced by 76.6%.The battery box mainly optimizes thewall thickness of the battery positioning shell,the inner box and the outer box,and takes the maximum of the minimum wallthickness that is in line with the allowable stress range under different typical working conditions.Finally,the shell thickness of theoptimized battery positioning shell is determined to be 1mm,the optimized mass is 1.75 Kg,and the weight is reduced by 74.89%.The thickness of the side plate of the inner box is determined to be 4mm,the optimized mass is 30.85Kg,and the weight is reducedby 40.28%;The thickness of the side plate of the outer box is determined to be 4mm,the optimized mass is 19.59Kg,and the weightis reduced by 46.2%.The research can provide reference for the lightweight design of similar electric vehicles.Keywords：electric vehicles;car frame;battery box;lightweight design;structure optimization17电动汽车车架及电池箱轻量化设计研究引引言言全球对环保和节能的需求日益增长，新能源汽车作为绿色交通工具受到了广泛关注。在各种新能源汽车中，纯电动汽车占比最大，达到了 80%以上1。在电动汽车的发展过程中，轻量化技术对于节能减排及提高车辆的动力性能与安全性能起着重要的作用2。试验研究表明，每降低 1%的汽车自身重量，就可以节省能量消耗 0.6%-1%3。当前电动汽车轻量化技术主要有：轻量化材料、车辆结构优化设计和大力发展新型加工制造工艺4。尽管电动汽车的轻量化设计已经取得一定的研究成果，但是目前依然存在一些问题。其中，车架是电动汽车的主要承载构件，电池箱是动力系统的重要组成部分，它们的重量会极大影响电动汽车的行驶里程。因此，为了提高动力电池能量密度和延长电动汽车续驶里程，车架和电池箱的轻量化设计具有非常重要的意义。本文主要研究通过结构优化对电动汽车车架及电池箱进行轻量化设计。1 车架及电池箱的建模本文针对某型纯电动乘用车进行轻量化设计研究，首先根据现有车辆的电池箱和车架在SolidWorks 中进行了建模，其电池箱位于后备箱下，尺寸为 250140250mm，包括内箱体、内箱盖、外箱体、外箱栏、6 个电池定位壳、电池定位板，其中电池箱外箱体固定在车架上。车架及电池箱模型见图 1-5。图图 1车车架架图图 2 电电池池箱箱装装配配体体（内内箱箱盖盖透透明明）图图 3内内箱箱体体图图 4外外箱箱体体图图 5电电池池定定位位壳壳2 车架及电池箱静力分析原车架为边梁式，由两根纵梁和若干根横梁组成的刚性结构，长3m，宽0.95 m。车架的材料为Q345B,具体材料属性见表1。车架是汽车的主要承载构件，满载时整车重量为15288N，电池箱的重量为3144N，假设乘客的质量为300Kg，则总重2940N，施加的力作用在中后部的两个横梁形成的支架上，剩余的重量为9204N，施加在前面的四根横梁和边梁上。扭转工况下，需要在车架两端再施加一对5000N的力为对电动汽车的车架及电池箱进行轻量化设计，首先应对原结构做静力分析，了解应力和变形的分布，确定优化设计的空间。本文在对车架、电池箱的约束与载荷简化的基础上在 SolidWorks simulation 中进行了静力分析。2.12.1车架静力分析车架静力分析。表表 1车车架架材材料料属属性性材料名称弹性模量(MPa)泊松比Q345B2.061050.28屈服强度(MPa)密度（Kg/m3）抗拉强度(MPa)3457800470-620车架满载扭转工况的静应力分析结果如图 6-7。最大应力：74.58MPa图图 6应应力力云云图图最大位移：1.16mm图图 7 位位移移云云图图由分析结果可知，车架在满载扭转工况下，最大应力是 74.58MPa，远小于屈服强度，最大位移是1.16mm，也小于钢结构设计标准5中主梁的挠度容18电动汽车车架及电池箱轻量化设计研究许值l（梁的长度）/400=2.025，可见初始设计过于保守，轻量化设计的空间较大，可以通过拓扑优化来减轻车架的重量。2 2.2 2 电电池池箱箱静静力力分分析析汽车在行驶时有多种载荷情况，根据汽车主机厂提供的工况并结合相关文献6，选择颠簸路面（加速度向上）、满载制动与满载转弯作为典型工况。本文主要对电池箱的电池定位壳、内箱体和外箱体在典型工况下进行了静力分析。根据设计要求，电池箱的选材为镀锌钢板，具体材料属性见表2。表表 2电电池池箱箱材材料料属属性性材料名称弹性模量(MPa)泊松比电镀钢21050.29屈服强度(MPa)密度（Kg/m3）抗拉强度(MPa)2047870357由于电池箱定位壳没有底板，在正常行驶中不受载荷，因此主要考虑它的两种典型工况：1)满载制动：作用在长侧板上的压强为 0.0038MPa，约束加在电池箱定位壳长侧板与内箱体接触的面上；2)满 载 转 弯：作 用 在 短 侧 板 上 的 压 强 为0.00274MPa，约束加在电池箱定位壳短侧板与内箱体接触的面上。电池箱定位壳满载制动静应力分析结果如图 8-92.2.1电池箱定位壳静力分析。最大应力：0.43MPa图图 8 应应力力云云图图最大位移：5.910-4mm图图 9 位位移移云云图图电池箱定位壳满载转弯静应力分析结果如图10-11。最大应力：2.37MPa图图 10 应应力力云云图图最大位移：1.4310-3mm图图 11 位位移移云云图图内箱体的三种典型工况分别为：1）颠簸工况，底板上受到 4817.68N 的力，约束2.2.2内箱体静力分析加在内箱体底面与外箱体接触的四个角上；2）满载制动，长侧板上受到 2408.84N 的力，约束加在内箱体长侧板与外箱体接触的面上；3）满载转弯，短侧板上受到 963.54N 的力，约束加在内箱体短侧板与外箱体接触的面上。内箱体颠簸工况静应力分析结果如图 12-13。最大应力：53.81MPa图图 12 应应力力云云图图最大位移：0.15mm图图 13 位位移移云云图图内箱体满载制动静应力分析结果如图 14-15。最大应力：109MPa图图 14 应应力力云云图图最大位移：5.22mm图图 15 位位移移云云图图内箱体满载转弯静应力分析结果如图 16-17。最大应力：8.74MPa图图 16 应应力力云云图图最大位移：0.026mm图图 17 位位移移云云图图2.1.3 外箱体静力分析外箱体主要起到抵御外部冲击，保护电池模组和电芯的作用7。外箱体的三种典型工况分别为：1）颠簸工况：作用在三角形底板上，受到 6288.033N的力，约束加在外箱体底部一圈法兰面上；2）满载制动：作用在长侧板上，受到 3144N 的力，约束加在 16 个螺栓孔上；3）满载转弯：作用在短侧板上，受到 1257.607N的力，约束加在 16 个螺栓孔上。外箱体颠簸工况静应力分析结果如图 18-19。最大应力：1.94MPa图图 18 应应力力云云图图最大位移：3.7510-3mm图图 19 位位移移云云图图19电动汽车车架及电池箱轻量化设计研究外箱体满载制动静应力分析结果如图 20-21。最大应力：79.37MPa图图 20 应应力力云云图图最大位移：0.43mm图图 21 位位移移云云图图外箱体满载转弯静应力分析结果如图 22-23。最大应力：8.92MPa图图 22 应应力力云云图图最大位移：0.046mm图图 23 位位移移云云图图从电池定位壳、内箱体和外箱体典型工况的静力分析结果看，电池定位壳工作时的最大应力为2.37 MPa，远小于材料的屈服强度，内箱体和外箱体在满载制动时的应力最大，分别为 109 MPa、79.37 MPa，也小于材料的屈服强度，均具有轻量化设计的空间，但因电池需通风散热，在电池定位壳、内箱体和外箱体上已经设计了大量的通风孔和散热栅栏，在轻量化设计时重点考虑尺寸优化，获得符合许用应力范围的最小壁厚8，同时可适当优化其结构，以减少应力集中。3 车架及电池箱的轻量化设计3 3.1 1 车车架架轻轻量量化化设设计计车架轻量化设计的目的是在保证强度和刚度的前提下，减少其重量，因此在拓扑优化时设计目标选择最佳强度质量比，该优化算法会根据给定质量生成具有最大刚度的零部件的形状，将从初始最大设计空间中移除该质量，约束设置质量减少30%，应力小于屈服强度的 80%，拓扑分析得到相对质量密度的等值图解，如图 24。图图 24 车车架架拓拓扑扑相相对对质质量量密密度度的的等等值值图图解解从相对质量密度的等值图解中看到可以移除的材料多在梁的中部，因此在优化设计时采用中空的型材，壁厚 5mm，同时车架前后的横板用横梁代替，并增加了圆角过渡，减少应力集中。优化后的车架见图 25。图图 25 优优化化后后车车架架模模型型优化后车架满载扭转工况静力分析结果如图 26-27。最大应力：161.5MPa图图 26 应应力力云云图图最大位移：0.91mm图图 27 位位移移云云图图由最大应力和最大变形可知优化后的模型满足强度和刚度的要求，优化后车架的质量为 154Kg，共减轻了 505.33Kg，减重 76.6%。3 3.2 2 电电池池箱箱轻轻量量化化设设计计电池箱定位壳的原始质量为 6.97Kg，在初始设计中其壳厚 T定为 5mm。在 SolidWorks simulation中进行尺寸优化需定义设计变量、约束条件和目标函数三个要素9。选择壳厚尺寸作为设计变量，设定其变化范围和步长分别为1,5和 1mm，约束条件设定静力分析得到的应力小于材料的许用应力170MPa，目标函数设定为质量最小化，如图 28。满载制动与满载转弯工况下优化设计的结果均为 T定=1mm，应力分别为 4.74MPa、15.58MPa，如图29-30，满足强度条件，因此电池定位壳壳厚选择 1mm 完全能满足要求，优化后质量为 1.75 Kg，减重74.89%。图图 28电电池池箱箱定定位位壳壳优优化化参参数数设设定定外箱体的原始质量为 36.41Kg，在初始设计中其侧板厚 T外为 10mm。尺寸优化时选择板厚尺寸作为设计变量，因短侧板上有与内箱体装配用的凹槽，深度为 2mm，故设定板厚变化范围和步长分别为4,10和 1mm，约束条件设定静力分析得到的应20电动汽车车架及电池箱轻量化设计研究力小于材料的许用应力 170MPa，目标函数设定为质量最小化，颠簸、满载制动与满载转弯工况下优化设计的结果均为 T外=4mm，应力分别为 2.63MPa、157.42MPa、42.33 MPa，因此最终优化的侧板厚 T外=4mm，优化后质量为 19.59 Kg，减重 46.2%。图图 29 电电池池箱箱定定位位壳壳满满载载制制动动工工况况壳壳厚厚优优化化结结果果图图 30 电电池池箱箱定定位位壳壳满满载载转转弯弯工工况况壳壳厚厚优优化化结结果果4 结论本文主要研究通过结构优化对电动汽车车架及电池箱进行轻量化设计，研究结果表明初始设计中车架梁采用实心钢材过于保守，在拓扑优化的过程中发现可以移除的材料多在梁的中部，因此在优化设计时采用中空的型材，可在保证强度和刚度的条件下大幅减轻车架的重量；电池箱因电池需通风散热，在电池定位壳、内箱体和外箱体上已经设计了大量的通风孔和散热栅栏，在轻量化设计时可重点考虑对壁厚进行尺寸优化，在许用应力范围内也可大幅减轻电池箱的重量。参参考考文文献献1中商产业研究院.2022年中国新能源汽车行业市场现状及细分市场分析EB/OL.2023-08-06.http:/ OptiStruct 拓扑优化的新能源电动汽车电池箱盖轻量化设计J.时代汽车,2018,42(04):87-88.4张健,陈科任,郑彬.新型电动汽车车架轻量化优化设计J.制造业自动化,2019,38(4):39-45.5GB 55006-2021,钢结构通用规范S.北京:2021.6袁林,赵清海,张洪信等.基于拓扑和形貌优化的电动汽车动力电池箱轻量化分析J.制造业自动化,2020,27(4):27-32.7张婕姝.基于轻量化技术的汽车设计D.沈阳航空航天大学,2016.8秦毓,何洪文.某电动汽车动力电池箱轻量化设计C.2020中国汽车工程学会年会论文集,2020.9商跃进,曹茹.SolidWorks2018 三维设计及应用教程M.北京:机械工业出版社,2020:281-283.21