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摘 要：快换支架是快换动力电池系统的核心部件，是保证电池箱与车身连接及换电安全的屏障。本文采用OptiStruct软件对钢制电池快换支架进行尺寸优化，并对原方案和优化方案进行静强度和模态仿真分析。优化方案与原方案相比，在一阶主频仅降低1Hz的情况下，实现降重8.2kg，且满足三个静强度工况的使用要求。最后对电池包进行随机振动仿真分析，快换支架的最大RMS应力均小于所用钢材的疲劳极限。根据优化结果制造样件进行电池系统随机振动测试，样件无明显损伤，尺寸优化技术可为快换电池包的安全设计提供重要参考。
关键词：快换支架 尺寸优化 快换电池包
Lightweight Design of Quick-change Bracket for Quick-change Battery System
Feng Fuchun Huang Yunlong Li Liang Zhou Jian
Abstract：The quick-change bracket is the core component of the quick-change power battery system， and is a barrier to ensure the connection between the battery box and the vehicle body and the safety of battery replacement. In this paper， the OptiStruct software is used to optimize the size of the steel battery quick-change bracket， and the static strength and modal simulation analysis of the original plan and the optimized plan are carried out. Compared with the original scheme， the optimized scheme achieves a weight reduction of 8.2 kg while the first-order main frequency is only reduced by 1 Hz， and meets the requirements of the three static strength conditions. Finally， a random vibration simulation analysis is performed on the battery pack， and the maximum RMS stress of the quick-change bracket is less than the fatigue limit of the steel used. According to the optimization results， samples are manufactured for random vibration test of the battery system. The samples have no obvious damage. The size optimization technology can provide an important reference for the safe design of quick-change battery packs.
Key words：quick-change bracket， size optimization， quick-change battery pack
1 引言
随著能源的紧缺及环境污染问题的日益加剧，新能源汽车成为当今汽车领域研究的热点，安全、节能和环保已成为当前汽车工业发展的三大趋势。续航里程不足、充电时间长，成为电动汽车的两大痛点。而将电池系统和车进行分离即换电电动车可实现三分钟换电，解决用车里程焦虑。换电电池系统较固定式电池系统增加了换电支架和锁止机构等结构部件，其结构形式更加复杂。随着计算机技术和数值计算方法的快速发展，基于有限元理论的CAE分析技术在动力电池系统安全领域得到了广泛应用，如电池包在极限工况下的静力学分析、模态分析、振动冲击分析、疲劳耐久分析、挤压碰撞分析等[1，3]。目前，对固定式电池系统的CAE仿真及结构轻量化设计进行了大量的研究[4，6]，尚未有文献对快换电池系统开展相应的CAE仿真分析及优化。
目前快换电动汽车主要用于出租车市场，快换电池系统至少需要满足60万km的使用需求及3000次以上的换电使用要求。因此，快换支架及电池包与传统的固定电池包相比，其刚度、强度和疲劳耐久性要求更为苛刻。此外，快换电池包增加了快换支架、换电锁止机构、换电电连接器插拔结构，结构设计复杂。为了满足工况恶劣的使用场景，快换电池包较传统电池包重量更大，轻量化需求更为急迫。
本文针对某快换电池系统进行有限元仿真分析，采用OptiStruct求解器对快换支架进行尺寸优化分析。通过对原方案和优化方案进行静强度和模态对比分析，确定优化方案的可行性。电池包尺寸优化仿真可为电池包的轻量化设计提供有益参考。
2 有限元模型
快换电池系统模型如图1所示。主要结构为电池箱本体、快换支架及换电锁止机构。电池系统通过快换支架上的14个整车安装点与整车进行固定。
为了提高模拟精度，对模组、固定支架、箱体、快换支架等进行详细建模。其中模组进行六面体网格划分，网格尺寸为6mm，箱体、快换支架等钣金件进行抽中面处理，对中面中存在的残缺破面进行修补并对模型中的倒角、小孔等进行适当的几何简化，采用四边形单元进行划分，单元尺寸取4mm，整个模型共划分1356512个单元、1426732个节点。快换支架及加强件采用高强钢DP590和HC420材料成型，其力学性能参数如表1所示。 3 尺寸优化分析
对快换支架设置18个变量，料厚变化范围设置为1mm-3mm。经尺寸优化分析后，对板厚进行取整处理，采用的板厚规格为1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.5mm。优化前后板厚的数值如表2所示，优化后的板厚分布如图2所示。
4 模态分析
电池包的模态结果可直接反映电池包的整体刚度情况，通过对比优化前后电池包的模态结果，可评估电池包的整体刚度变化情况。图3-图6分别为原方案和优化方案前两阶模态的计算情况，优化方案较原方案模态变化很小，对电池包整体刚度影响较小。
5 强度结果分析
对电池包按照表3所示的强度计算工况进行计算。约束快换支架上14个整车安装点的六个方向自由度。三个工况下原方案和优化方案快换支架的应力云图分别见图7-图12所示。
表4统计了原方案和优化方案仿真结果情况，从表中可知，快换支架重量轻量化8.2kg的情况下，电池包的一阶主频只降低1Hz，三个强度工况最大应力值均未明显增大，且满足强度要求。可见，该优化方案在电池包力学性能不明显降低的情况下，轻量化效果明显。
6 电池系统随机振动分析
为了满足60万公里的使用要求，在道路试验场进行各种路面载荷路谱的采集。传感器布置位置为快换支架与车身连接处。对路谱进行数据处理，等效出适用于电池系统的疲劳耐久振动PSD，Z、Y、X三个方向分别振动13个小时。
对该电池系统进行随机振动分析，快换支架最大RMS应力为120.1MPa，小于DP590钢材的疲劳极限。优化方案能够满足60万公里的使用要求。
按照优化方案进行样件制作，对电池系统进行Z、Y、X三个方向的随机振动试验测试，测试过程如图14所示。测试完成后对样件情况进行检查，样件无明显损伤，该方案可满足整车60万km的使用要求。
7 结论
通过对快换电池系统快换支架进行尺寸优化，快换支架重量降低8.2kg，轻量化效果明显。优化方案较原方案相比，一阶主频降低约1Hz，Y向强度工况支架最大应力增加约62MPa，但均满足电池包强度要求。最后对电池包进行随机振动仿真分析，快换支架的最大RMS应力均小于所用钢材的疲劳极限。根据优化结果制造样件进行电池系统随机振动，样件无明显损伤，测试通过，尺寸优化技术可为快换电池包的安全设计提供重要参考。
基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB0102103）。
参考文献：
[1]张茜，周浩兵，刘雨辰等. 车用锂离子电池包结构优化设计研究进展[J]. 电源技术，2019，1559-1562.
[2]李冰，张德伟，谷晗等. 铝合金电池包结构分析及优化[J]. 热处理技术及装备，2019， 55-57.
[3]王国旺. 复合材料电动汽车电池包轻量化設计研究[D]. 吉林：吉林大学硕士论文，2020.
[4]冯富春，李彦良，盛军等. 电池包箱体挤压铝型材截面形状优化[J]. 2019Altair技术大会论文集，2019.
[5]贾丽娜. 某电动汽车电池包结构安全性分析及优化[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学硕士论文，2019.
[6]谢晖，孙延，王杭燕. 基于某款纯电动汽车的动力电池包结构设计及优化[J]. 塑性工程学报，2020， 88-96.
作者简介
冯富春：（1988.06—），男，汉族，河北张家口人，学历：工学硕士，职称：中级工程师，主要从事动力电池包结构仿真及优化相关研究。
关键词：快换支架 尺寸优化 快换电池包
Lightweight Design of Quick-change Bracket for Quick-change Battery System
Feng Fuchun Huang Yunlong Li Liang Zhou Jian
Abstract：The quick-change bracket is the core component of the quick-change power battery system， and is a barrier to ensure the connection between the battery box and the vehicle body and the safety of battery replacement. In this paper， the OptiStruct software is used to optimize the size of the steel battery quick-change bracket， and the static strength and modal simulation analysis of the original plan and the optimized plan are carried out. Compared with the original scheme， the optimized scheme achieves a weight reduction of 8.2 kg while the first-order main frequency is only reduced by 1 Hz， and meets the requirements of the three static strength conditions. Finally， a random vibration simulation analysis is performed on the battery pack， and the maximum RMS stress of the quick-change bracket is less than the fatigue limit of the steel used. According to the optimization results， samples are manufactured for random vibration test of the battery system. The samples have no obvious damage. The size optimization technology can provide an important reference for the safe design of quick-change battery packs.
Key words：quick-change bracket， size optimization， quick-change battery pack
1 引言
随著能源的紧缺及环境污染问题的日益加剧，新能源汽车成为当今汽车领域研究的热点，安全、节能和环保已成为当前汽车工业发展的三大趋势。续航里程不足、充电时间长，成为电动汽车的两大痛点。而将电池系统和车进行分离即换电电动车可实现三分钟换电，解决用车里程焦虑。换电电池系统较固定式电池系统增加了换电支架和锁止机构等结构部件，其结构形式更加复杂。随着计算机技术和数值计算方法的快速发展，基于有限元理论的CAE分析技术在动力电池系统安全领域得到了广泛应用，如电池包在极限工况下的静力学分析、模态分析、振动冲击分析、疲劳耐久分析、挤压碰撞分析等[1，3]。目前，对固定式电池系统的CAE仿真及结构轻量化设计进行了大量的研究[4，6]，尚未有文献对快换电池系统开展相应的CAE仿真分析及优化。
目前快换电动汽车主要用于出租车市场，快换电池系统至少需要满足60万km的使用需求及3000次以上的换电使用要求。因此，快换支架及电池包与传统的固定电池包相比，其刚度、强度和疲劳耐久性要求更为苛刻。此外，快换电池包增加了快换支架、换电锁止机构、换电电连接器插拔结构，结构设计复杂。为了满足工况恶劣的使用场景，快换电池包较传统电池包重量更大，轻量化需求更为急迫。
本文针对某快换电池系统进行有限元仿真分析，采用OptiStruct求解器对快换支架进行尺寸优化分析。通过对原方案和优化方案进行静强度和模态对比分析，确定优化方案的可行性。电池包尺寸优化仿真可为电池包的轻量化设计提供有益参考。
2 有限元模型
快换电池系统模型如图1所示。主要结构为电池箱本体、快换支架及换电锁止机构。电池系统通过快换支架上的14个整车安装点与整车进行固定。
为了提高模拟精度，对模组、固定支架、箱体、快换支架等进行详细建模。其中模组进行六面体网格划分，网格尺寸为6mm，箱体、快换支架等钣金件进行抽中面处理，对中面中存在的残缺破面进行修补并对模型中的倒角、小孔等进行适当的几何简化，采用四边形单元进行划分，单元尺寸取4mm，整个模型共划分1356512个单元、1426732个节点。快换支架及加强件采用高强钢DP590和HC420材料成型，其力学性能参数如表1所示。 3 尺寸优化分析
对快换支架设置18个变量，料厚变化范围设置为1mm-3mm。经尺寸优化分析后，对板厚进行取整处理，采用的板厚规格为1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.5mm。优化前后板厚的数值如表2所示，优化后的板厚分布如图2所示。
4 模态分析
电池包的模态结果可直接反映电池包的整体刚度情况，通过对比优化前后电池包的模态结果，可评估电池包的整体刚度变化情况。图3-图6分别为原方案和优化方案前两阶模态的计算情况，优化方案较原方案模态变化很小，对电池包整体刚度影响较小。
5 强度结果分析
对电池包按照表3所示的强度计算工况进行计算。约束快换支架上14个整车安装点的六个方向自由度。三个工况下原方案和优化方案快换支架的应力云图分别见图7-图12所示。
表4统计了原方案和优化方案仿真结果情况，从表中可知，快换支架重量轻量化8.2kg的情况下，电池包的一阶主频只降低1Hz，三个强度工况最大应力值均未明显增大，且满足强度要求。可见，该优化方案在电池包力学性能不明显降低的情况下，轻量化效果明显。
6 电池系统随机振动分析
为了满足60万公里的使用要求，在道路试验场进行各种路面载荷路谱的采集。传感器布置位置为快换支架与车身连接处。对路谱进行数据处理，等效出适用于电池系统的疲劳耐久振动PSD，Z、Y、X三个方向分别振动13个小时。
对该电池系统进行随机振动分析，快换支架最大RMS应力为120.1MPa，小于DP590钢材的疲劳极限。优化方案能够满足60万公里的使用要求。
按照优化方案进行样件制作，对电池系统进行Z、Y、X三个方向的随机振动试验测试，测试过程如图14所示。测试完成后对样件情况进行检查，样件无明显损伤，该方案可满足整车60万km的使用要求。
7 结论
通过对快换电池系统快换支架进行尺寸优化，快换支架重量降低8.2kg，轻量化效果明显。优化方案较原方案相比，一阶主频降低约1Hz，Y向强度工况支架最大应力增加约62MPa，但均满足电池包强度要求。最后对电池包进行随机振动仿真分析，快换支架的最大RMS应力均小于所用钢材的疲劳极限。根据优化结果制造样件进行电池系统随机振动，样件无明显损伤，测试通过，尺寸优化技术可为快换电池包的安全设计提供重要参考。
基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB0102103）。
参考文献：
[1]张茜，周浩兵，刘雨辰等. 车用锂离子电池包结构优化设计研究进展[J]. 电源技术，2019，1559-1562.
[2]李冰，张德伟，谷晗等. 铝合金电池包结构分析及优化[J]. 热处理技术及装备，2019， 55-57.
[3]王国旺. 复合材料电动汽车电池包轻量化設计研究[D]. 吉林：吉林大学硕士论文，2020.
[4]冯富春，李彦良，盛军等. 电池包箱体挤压铝型材截面形状优化[J]. 2019Altair技术大会论文集，2019.
[5]贾丽娜. 某电动汽车电池包结构安全性分析及优化[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学硕士论文，2019.
[6]谢晖，孙延，王杭燕. 基于某款纯电动汽车的动力电池包结构设计及优化[J]. 塑性工程学报，2020， 88-96.
作者简介
冯富春：（1988.06—），男，汉族，河北张家口人，学历：工学硕士，职称：中级工程师，主要从事动力电池包结构仿真及优化相关研究。