CN110298079A - 一种混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两种负泊松单胞结构混合的负泊松比内芯汽车电池保护系统及其设计方法，该负泊松比电池保护系统主要由混合负泊松比结构内芯3，电池防护悬架1，电池模块2组成。所述混合负泊松比结构内芯置于电池防护梁内，混合负泊松比内芯包括外凸六边形蜂窝单胞结构和内凹蜂窝单胞结构组合阵列而成。首先根据负泊松比结构特征建立参数化模型，利用拉丁超立方实验设计方法和响应面模型法建立电池保护系统的响应面模型，利用多目标遗传算法NCGA进行多目标优化设计对电池保护系统进行耐撞性分析，获取混合负泊松比结构内芯最优设计解。本发明通过优化设计进一步提高混合负泊松比电池保护系统的耐撞性。

Description

一种混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及被动安全领域，具体是一种混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统及其设计方法。

背景技术

电动汽车作为新能源汽车被越来越多的人选择，对于电动汽车碰撞安全性而言，不仅要满足传统燃油汽车的碰撞安全标准，还要重点考虑其在碰撞过程中所特有的安全问题，比如动力电池在碰撞过程中可能发生起火甚至爆炸、电解液泄露、高压短路等现象，驾驶员的生命安全受到威胁。

负泊松比材料在受到压缩时垂直于力的方向产生收缩，这种有别于普通材料的特殊变形方式使得具有良好吸能特性，将负泊松比多胞结构应用到电动车保护系统的梁中，很好的利用了负泊松比结构吸能大的优点，能大幅度增大电池保护系统的吸能量，减小碰撞过程中对电池模块的冲击，防止电池发生断裂、电解液泄漏等问题，从而提高电动汽车碰撞安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服在电动汽车发生碰撞时，传统的电池箱因为吸收能量和缓冲能力有限，不能很好地保护电池，易造成爆炸事故，提出一种基于负泊松比材料的电动车电池保护结构及其设计方法，可广泛运用于电动汽车的电池箱中。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统，包括电池防护悬架以及电池模块；所述电池模块安装在所述电池防护悬架内；所述电池防护悬架由混合负泊松比结构内芯填充，所述混合负泊松比单胞结构沿平行边方向、垂直于平行边方向和垂直于所述混合负泊松比结构截面方向上进行阵列堆叠而成，所述混合负泊松比结构包括外凸六边形蜂窝单胞结构和内凹蜂窝单胞结构；所述外凸六边形蜂窝单胞结构为六边形结构，其两个底边平行；所述内凹蜂窝单胞结构包括两个平行的底边，两底边与所述外凸六边形蜂窝结构的在同一水平线上，两对称斜边向内倾斜；所述混合负泊松比结构由所述外凸六边形蜂窝单胞结构和内凹蜂窝单胞结构组合而成，两种单胞结构的斜边重合，底边在同一直线上。

所述电池模块为八个，每相邻两个所述电池模块之间设置所述电池保护悬架，八个电池模块构成的电池外围设置四根所述电池防护悬架，形成长方体结构。

一种混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统设计方法，包括步骤：

1)选取所述混合负泊松比形状参数作为设计变量，建立混合负泊松比结构内芯的参数化模型；建立模型时，选取混合负泊松比结构元胞胞壁间的夹角、胞壁的厚度、胞壁的长度、薄壁的宽度作为设计变量，利用负泊松比结构元胞设计变量之间的参数关系来建立参数化模型；

2)利用所述电池保护悬架的有限元模型建立所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的参数化模型；将所述混合负泊松比结构内芯和所述电池保护悬架的参数化模型进行组合建立所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的参数化模型；所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的参数化模型通过所述混合负泊松比结构内芯设计参数、所述电池保护悬架厚度参数的快速改变实现，建立所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的有限元性能分析模型；

3)结合所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的参数化模型、拉丁超立方实验设计方法和响应面模型建立所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护体统的响应面模型；

利用多目标遗传优化算法NCGA对所述的混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统响应面模型进行多目标优化，所述多目标优化问题的数学模型为：

Minimize f_m(x),m＝1,2,…,M

Subject to g_j(x)<＝0，j＝1,2,…,J

h_k(x)＝0k＝1,2,…,K

X_i ^(L)<＝X_i<＝X_i ^(U),i＝1,2…,n

其中，X_i为第i个设计变量，n为设计变量总数，X_i ^(L)和X_i ^(U)分别为第i个设计变量取值的下限和上限；f_m(x)为第m个子目标函数，M为子目标函数的总数；g_j(x)为第j个不等式约束条件，J为不等式约束的总数；h_k(x)为第k个等式约束条件，K为等式约束的总数。

还包括验证步骤，具体为：

选取所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统最优设计并进行验证；选取吸收能量和质量为优化目标，1/E_max、1/E_min为Pareto最优解集中目标函数系统吸收能量最大值和最小值的倒数；m_max、m_min为Pareto最优解集中目标函数结构质量的最大值和最小值，在区间内折中选取最优解，建立有限元模型进行碰撞仿真进行验证。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在电池保护悬架中加入混合负泊松比结构填充内芯，在电动汽车的正面、侧面及后碰撞中利用负泊松比结构填充内芯更好的吸收和传递碰撞能量，显著提高电动汽车对于电池的保护，极大的减轻了电动汽车电池在碰撞过程中发生爆炸的危险，提高了对乘员、行人的生命安全保障，且在具有较低的生产成本的同时具有较高的结构可靠性。

2、建立了混合负泊松比结构填充内芯的参数化模型，并建立电动汽车电池保护系统的参数化模型。系统参数化模型与拉丁超立方实验设计方法、响应面模型和多目标遗传算法进行了有效结合，实现混和负泊松比电动汽车电池保护系统的快速设计，提高汽车的被动安全性，实现最大程度的保护电动汽车电池，减少碰撞过程中的损坏，提高对乘员和行人的生命安全保障以及减少因电池爆炸对车体的破坏。

附图说明

图1是本发明混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统结构示意图。

图2是本发明混合负泊松比结构内芯的结构示意图。

图3是本发明混合负泊松比汽车电池保护多目标优化流程图。

其中，1为电池防护梁，2为电池模块，3为混合负泊松比结构内芯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

图1是本发明的混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统结构示意图。如图1所示，本发明的混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统包括电池防护悬架1以及电池模块2。所述电池模块2安装在所述电池防护悬架1内。在本发明中，所述电池模块2为八个，每相邻两个所述电池模块2之间设置所述电池保护悬架1，八个电池模块2构成的电池外围设置四根所述电池防护悬架1，形成长方体结构。

所述电池防护悬架1由混合负泊松比结构3构成，所述混合负泊松比结构3包括外凸六边形蜂窝单胞结构和内凹蜂窝单胞结构，所述外凸六边形蜂窝单胞结构包括两个平行的底边，两个底边的同一侧通过两条对称的斜边相连，两斜边向外倾斜，即为六边形结构；所述内凹蜂窝单胞结构包括两个平行的底边，两底边与外凸六边形蜂窝结构的在同一水平线上，两对称斜边向内倾斜；所述混合负泊松比结构3由所述外凸六边形蜂窝单胞结构和内凹蜂窝单胞结构组合而成，两种单胞结构的斜边重合，平行底边在同一直线上，分别沿平行边方向、垂直于平行边方向和垂直于所述混合负泊松比结构(3)截面方向上进行阵列堆叠而成。

所述混合负泊松比电池保护系统设计方法：

1)选取混合负泊松比形状参数作为设计变量，建立混合负泊松比结构填充内芯的参数化模型。建立模型时，选取混合负泊松比结构元胞胞壁间的夹角、胞壁的厚度、胞壁的长度、薄壁的宽度作为设计变量，利用负泊松比结构元胞设计变量之间的参数关系来建立参数化模型，从而实现可通过设计参数的改变快速建立负泊松比结构填充内芯的有限元模型。

2)利用电池保护悬架的有限元模型建立所述混合负泊松比电池保护系统的参数化模型，通过参数化模型来实现电池保护悬架设计变量的快速改变。同时，将混合负泊松比结构填充内芯和电池保护悬架的参数化模型进行有效组合从而建立混合负泊松比结构电动汽车电池保护系统的参数化模型。电池保护系统的参数化模型通过混合负泊松比结构设计参数、电池保护悬架厚度参数的快速改变实现，从而建立起系统的有限元性能分析模型(混合负泊松比结构设计参数、电池保护悬架厚度参数每改变一组数据就形成一个电池保护系统的参数化模型，由参数化模型建立有限元模型，然后进行整车碰撞仿真分析，通过拉丁超立方实验设计方法对上述参数进行抽样)。

3)结合混合负泊松比结构电池保护系统参数化模型、拉丁超立方实验设计方法和响应面模型建立混合负泊松比结构电池保护体统的响应面模型。

利用多目标遗传优化算法NCGA对混合负泊松比结构电池保护系统响应面模型进行多目标优化；NCGA作为处理多目标问题的遗传算法，是各目标同等重要，并能获得优化问题的pareto前沿，通过排序后分组进行交叉的方法实现“相邻繁殖”的机制，从而使接近于pareto前沿的解进行交叉繁殖的概率增大，加速计算收敛过程，从而减少了仿真计算时间。多目标优化问题的数学模型可以描述为：

Minimize f_m(x),m＝1,2,…,M

Subject to g_j(x)<＝0，j＝1,2,…,J

h_k(x)＝0k＝1,2,…,K

X_i ^(L)<＝X_i<＝X_i ^(U),i＝1,2…,n

其中，X_i为第i个设计变量，n为设计变量总数，X_i ^(L)和X_i ^(U)分别为第i个设计变量取值的下限和上限；f_m(x)为第m个子目标函数，M为子目标函数的总数；g_j(x)为第j个不等式约束条件，J为不等式约束的总数；h_k(x)为第k个等式约束条件，K为等式约束的总数。

4)选取混合负泊松比结构电动汽车电池保护系统最优设计并进行验证。在多目标优化设计中，往往各个目标的最优解是互相矛盾的，不能同时达到最优，需要结合实际工程需要在各目标之间权衡折中。本发明中选取吸收能量和质量为优化目标，1/E_max、1/E_min为Pareto最优解集中目标函数系统吸收能量最大值和最小值的倒数；m_max、m_min为Pareto最优解集中目标函数结构质量的最大值和最小值，在区间内折中选取最优解，建立有限元模型进行碰撞仿真进行验证。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (4)

1.一种混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统，其特征在于：包括电池防护悬架(1)、电池模块(2)及混合负泊松比结构内芯(3)；所述电池模块(2)安装在所述电池防护悬架(1)内；所述电池防护悬架(1)由混合负泊松比结构(3)内芯填充，所述混合负泊松比单胞结构沿平行边方向、垂直于平行边方向和垂直于所述混合负泊松比结构(3)截面方向上进行阵列堆叠而成，所述混合负泊松比结构(3)包括外凸六边形蜂窝单胞结构和内凹蜂窝单胞结构；所述外凸六边形蜂窝单胞结构为六边形结构，其两个底边平行；所述内凹蜂窝单胞结构包括两个平行的底边，两底边与所述外凸六边形蜂窝结构的在同一水平线上，两对称斜边向内倾斜；所述混合负泊松比结构(3)由所述外凸六边形蜂窝单胞结构和内凹蜂窝单胞结构组合而成，两种单胞结构的斜边重合，底边在同一直线上。

2.根据权利要求1所述的混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统，其特征在于：所述电池模块(2)为八个，每相邻两个所述电池模块(2)之间设置所述电池保护悬架(1)，八个电池模块(2)构成的电池外围设置四根所述电池防护悬架(1)，形成长方体结构。

3.一种基于权利要求1所述的混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的设计方法，其特征在于：包括步骤：

1)选取所述混合负泊松比形状参数作为设计变量，建立混合负泊松比结构内芯的参数化模型；建立模型时，选取混合负泊松比结构元胞胞壁间的夹角、胞壁的厚度、胞壁的长度、薄壁的宽度作为设计变量，利用负泊松比结构元胞设计变量之间的参数关系来建立参数化模型；

2)利用所述电池保护悬架的有限元模型建立所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的参数化模型；将所述混合负泊松比结构内芯和所述电池保护悬架的参数化模型进行组合建立所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的参数化模型；所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的参数化模型通过所述混合负泊松比结构内芯设计参数、所述电池保护悬架厚度参数的快速改变实现，从而建立所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的有限元性能分析模型；

3)结合所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统的参数化模型、拉丁超立方实验设计方法和响应面模型建立所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护体统的响应面模型；

利用多目标遗传优化算法NCGA对所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统响应面模型进行多目标优化，所述多目标优化问题的数学模型为：

Minimize f_m(x),m＝1,2,…,M

Subject to g_j(x)<＝0，j＝1,2,…,J

h_k(x)＝0k＝1,2,…,K

X_i ^(L)<＝X_i<＝X_i ^(U),i＝1,2…,n

其中，X_i为第i个设计变量，n为设计变量总数，X_i ^(L)和X_i ^(U)分别为第i个设计变量取值的下限和上限；f_m(x)为第m个子目标函数，M为子目标函数的总数；g_j(x)为第j个不等式约束条件，J为不等式约束的总数；h_k(x)为第k个等式约束条件，K为等式约束的总数。

4.根据权利要求3所述的混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统设计方法，其特征在于：还包括验证步骤，具体为：

选取所述混合负泊松比结构内芯汽车电池保护系统最优设计并进行验证；选取吸收能量和质量为优化目标，1/E_max、1/E_min为Pareto最优解集中目标函数系统吸收能量最大值和最小值的倒数；m_max、m_min为Pareto最优解集中目标函数结构质量的最大值和最小值，在区间内折中选取最优解，建立有限元模型进行碰撞仿真进行验证。