CN109344442A - 电池箱结构优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电池箱结构优化设计方法，包括以下步骤：(1)建立拓扑优化模型；(2)拓扑优化，确定电池箱内部梁结构及外部固定点位置；(3)形状优化，确定电池箱内部梁截面尺寸；(4)自由尺寸优化，确定电池箱内部梁厚度尺寸；(5)拓扑优化，确定电池箱内部梁焊点数量和布置方式；(6)形貌和尺寸优化，确定电池箱箱盖布筋方式；(7)将优化结构解释成CAD模型。该方法提出了直接用于指导电池箱结构优化设计的方法并形成了完整的优化设计流程，可以用于实现电池箱结构的定量设计，避免盲目试错，缩短开发周期，具有较大的工程实用价值。

Description

电池箱结构优化设计方法
技术领域
本发明涉及锂电池设计技术领域，特别是涉及一种电池箱结构优化设计方法。
背景技术
以纯电动以及复合动力为主的新能源汽车由于具有低碳、环保、节能的特点，在现代汽车领域具有广阔的应用前景。在新能源汽车中，电池箱是最主要的动力来源，同时也为众多的电动辅助系统提供能量。因此，电池箱的可靠性、耐久性、安全性和工作效率指标将直接关系到车辆动力性能。设计电池箱结构的时候，工程师往往在同时保证高能量密度和安全可靠性两方面陷入困境，此时，就需要应用“分析驱动设计”的产品正向开发设计策略，进行结构优化设计，寻求即安全可靠又能满足高能量密度的电池箱结构形式。
目前，优化技术用于指导电池箱结构设计的专利未见公开，但在与电池箱结构密切相关的汽车零部件结构上应用的相关专利和文献有很多。如公布号为CN 107169211 A，公布日为2017.09.15的中国发明专利公开了一种汽车白车身早期概念开发拓扑优化方法。该方法提出了一种基于参数化模型主动搭建和拓扑优化的白车身早期概念拓扑空间优化设计分析及解析的方法，可以解析出最终传力路径来指导白车身结构设计。又如授权公告号CN 103823944 B，授权公告日2017.2.15的中国发明专利公布了一种客车车身骨架高刚度与轻量化灵敏度分析方法，主要用于确定客车车厢型梁断面的几何尺寸，从而实现客车车身骨架结构轻量化、高刚度的目标。
上述以及其他文献所述的结构优化设计方法均是应用于车身相关结构设计，没有检索到直接指导电池箱的结构设计的相关文献。同时，上述优化方法只是局限于某一个方向，如拓扑优化或尺寸优化，没有形成完整的优化设计的流程，优化设计前后仍需要做很多的验证工作，应用较为不便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种完整的电池箱结构优化设计方法，能够直接指导电池箱结构优化设计，用于实现概念阶段电池箱结构的定量设计，避免盲目试错，缩短开发周期。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种电池箱结构优化设计方法，包括以下步骤：
(1)建立拓扑优化模型。
根据电池箱在整车当中的包络图，确定可以布置固定点的区域以及模组在包络图中的布置方式，确定包络结构内的可设计区域，采用实体单元对包络结构内可设计区域全填充，建立电池箱拓扑优化模型。
(2)拓扑优化，确定电池箱内部梁结构及外部固定点位置。
基于车辆正常行驶工况条件，以总加权柔度最小为目标，以体积分数为约束，对步骤(1)建立的拓扑优化模型进行拓扑优化，形成电池箱内部梁结构及外部固定结构。
(3)形状优化，确定电池箱内部梁截面尺寸。
在步骤(2)基础上，采用梁单元模拟步骤(2)中优化形成的电池箱内部梁结构，以质量最小为目标，以一阶模态频率为约束建立形状优化模型，进行形状优化，确定电池箱内部梁的截面尺寸。
(4)自由尺寸优化，确定电池箱内部梁厚度尺寸。
在步骤(3)基础上，采用壳单元模拟，以车辆正常行驶工况条件下的应力为约束，对步骤(3)优化确定的电池箱内部梁的截面尺寸进行自由尺寸优化，确定电池箱内部梁各部位的厚度尺寸。
(5)拓扑优化，确定电池箱内部梁焊点数量和布置方式。
在步骤(4)基础上，根据步骤(1)-(4)确定电池箱结构的外部固定方式和内部梁结构形式，以一阶模态频率为约束对焊点进行拓扑优化，确定电池箱内部梁焊点数量和布置方式。
(6)形貌和尺寸优化，确定电池箱箱盖布筋方式。
在步骤(5)基础上，以一阶模态频率为约束对电池箱拓扑优化模型中的箱盖进行形貌优化，确定电池箱箱盖布筋形式。
(7)将优化结构解释成CAD模型。
应用OSSmooth模块将电池箱结构优化设计结果解释成CAD模型，导入CAD软件做电池箱内部附件固定结构的进一步详细设计，即在优化设计的电池箱结构的基础上进行线束、电器元件、热管理部件的固定结构设计，以及绝缘防护结构的设计。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种电池箱结构优化设计方法，提出了直接用于指导电池箱结构优化设计的方法并形成了完整的优化设计流程，可以用于实现电池箱结构的定量设计，避免盲目试错，缩短开发周期，具有较大的工程实用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明步骤(1)中的拓扑优化模型；
图3为本发明步骤(2)中拓扑优化结果示意图；
图4为本发明步骤(3)中的形状优化模型；
图5为本发明步骤(4)中的自由尺寸优化结果示意图；
图6为本发明步骤(5)中的焊点拓扑优化结果示意图；
图7为本发明步骤(6)中的箱盖形貌优化结果示意图。
图中：1、箱体，2、箱盖，3、固定点区域，4、横梁，5、纵梁，6、焊点。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明的一种电池箱结构优化设计方法，包括以下步骤：
(1)建立拓扑优化模型
根据整车厂提供的输入，包括电池系统质量比能量密度、系统额定电压平台、额定容量、系统总重量，空间数模图纸以及电池包安装孔区域等参数，制定电池系统的可行性方案，同时绘制电池包在整车当中的包络图，包络图包括可以布置固定点的区域以及模组的布置方式。根据绘制的电池箱包络图，建立拓扑优化模型如图2所示。图中，电池箱箱体1为设计区域，约束箱体1两侧可以布置电池箱固定点的区域3，施加载荷依据车辆正常行驶工况条件，即，±X方向分别施加2g加速度，±Y方向分别施加3g加速度，±Z方向分别施加5g加速度。
(2)拓扑优化，确定电池箱内部梁结构及外部固定点位置
基于上述步骤(1)建立的拓扑优化模型，以总加权柔度最小为目标，以优化区域初始体积的30％为上限进行拓扑优化，形成电池箱内部梁结构及外部固定点位置，如图3所示。
(3)形状优化，确定电池箱内部梁截面尺寸
采用梁单元模拟上述步骤(2)拓扑优化形成的电池箱内部梁，以质量最小为目标，以一阶模态频率大于100Hz为约束，建立如图4所示形状优化模型，其中，纵梁(模组固定梁)和横梁如图4所示。通过形状优化，可以确定：
纵梁的截面尺寸为：15mmx1.5mmx22mmx9mm；
横梁的截面尺寸为：5mmx1mmx10mmx5mm。
(4)自由尺寸优化，确定电池箱内部梁厚度尺寸
基于上述步骤(3)优化确定的梁截面尺寸，采用壳单元模拟，以便确定梁各部位的厚度尺寸。以质量最小为目标，以车辆正常行驶工况条件下的应力为约束进行自由尺寸优化，确定电池箱内部梁各部位的厚度尺寸，如图5所示。图中，不同颜色代表不同的厚度值，表示内部梁需要进行局部加厚的尺寸，颜色深的区域需要局部加厚至3mm，颜色浅的区域保持1mm厚度即可。
(5)拓扑优化，确定电池箱内部梁焊点数量和布置方式
上述步骤(1)-(4)分别确定了电池箱结构的固定方式和内部梁的结构形式，本步骤针对焊点进行优化，以焊点总质量最小为目标，以一阶模态频率大于100Hz为约束进行拓扑优化，确定焊点的数量和布置位置，如图6所示。
(6)形貌和尺寸优化，确定电池箱箱盖布筋方式
上述步骤(2)-(5)确定了电池箱箱体及内部梁结构的优化结构，本步骤通过形貌优化确定箱盖的结构形式。形貌优化目标为箱盖一阶模态频率大于30Hz。考虑制造工艺约束，箱盖形貌优化结果如图7所示。
(7)将优化结构解释成CAD模型
上述步骤(2)-(5)确定了电池箱箱体、内部梁结构以及箱盖结构的优化形式，本步骤应用OSSmooth模块将电池箱结构优化设计结果解释成CAD模型，导入CAD软件做电池箱内部附件固定结构的进一步详细设计。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种电池箱结构优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立拓扑优化模型；(2)拓扑优化，确定电池箱内部梁结构及外部固定点位置；(3)形状优化，确定电池箱内部梁截面尺寸；(4)自由尺寸优化，确定电池箱内部梁厚度尺寸；(5)拓扑优化，确定电池箱内部梁焊点数量和布置方式；(6)形貌和尺寸优化，确定电池箱箱盖布筋方式；(7)将优化结构解释成CAD模型。
2.如权利要求1所述的电池箱结构优化设计方法，其特征在于：步骤(1)具体包括，根据电池箱在整车当中的包络图，确定可以布置固定点的区域以及模组在包络图中的布置方式，确定络结构内的可设计区域，采用实体单元对包络结构内可设计区域全填充，建立电池箱拓扑优化模型。
3.如权利要求2所述的电池箱结构优化设计方法，其特征在于：步骤(2)具体包括，基于车辆正常行驶工况条件，以总加权柔度最小为目标，以体积分数为约束，对步骤(1)建立的拓扑优化模型进行拓扑优化，形成电池箱内部梁结构及外部固定结构。
4.如权利要求3所述的电池箱结构优化设计方法，其特征在于：步骤(3)具体包括，在步骤(2)基础上，采用梁单元模拟步骤(2)中优化形成的电池箱内部梁结构，以质量最小为目标，以一阶模态频率为约束建立形状优化模型，进行形状优化，确定电池箱内部梁的截面尺寸。
5.如权利要求4所述的电池箱结构优化设计方法，其特征在于：步骤(4)具体包括，在步骤(3)基础上，采用壳单元模拟，以车辆正常行驶工况条件下的应力为约束，对步骤(3)优化确定的电池箱内部梁的截面尺寸进行自由尺寸优化，确定电池箱内部梁各部位的厚度尺寸。
6.如权利要求5所述的电池箱结构优化设计方法，其特征在于：步骤(5)具体包括，在步骤(4)基础上，根据步骤(1)-(4)确定电池箱结构的外部固定方式和内部梁结构形式，以一阶模态频率为约束对焊点进行拓扑优化，确定电池箱内部梁焊点数量和布置方式。
7.如权利要求6所述的电池箱结构优化设计方法，其特征在于：步骤(6)具体包括，在步骤(5)基础上，以一阶模态频率为约束对电池箱拓扑优化模型中的箱盖进行形貌优化，确定电池箱箱盖布筋形式。
8.如权利要求7所述的电池箱结构优化设计方法，其特征在于：步骤(7)具体包括，应用OSSmooth模块将电池箱结构优化设计结果解释成CAD模型，导入CAD软件做电池箱内部附件固定结构的设计、电位结构的设计以及绝缘防护结构的设计。
9.如权利要求8所述的电池箱结构优化设计方法，其特征在于：所述电池箱内部附件固定结构的设计包括在优化设计的电池箱结构的基础上进行线束、电器元件和热管理部件的固定结构设计。
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