CN115238372A - 一种电动汽车电池壳框架横梁结构及设计方法 - Google Patents

一种电动汽车电池壳框架横梁结构及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车电池壳框架横梁结构及设计方法，涉及新能源汽车应用领域，包括以下步骤：分析电动汽车动力电池壳框架结构，确定电池壳框架设计条件；利用三维模型设计、载荷校核模型进行测试工况仿真，确保电池壳框架结构满足设计条件；确定电池壳框架横梁轻量化拓扑优化边界条件；开展多工况下的横梁拓扑优化结构设计；针对优化后的横梁轻量化拓扑优化结构，进行电池壳框架的性能校核，并判断横梁拓扑结构是否满足电池壳框架的性能要求，如不满足则继续优化。本发明基于电池壳框架的力传递过程进行横梁结构拓扑优化设计，获得满足强度要求的电池包壳体横梁轻量化结构，实现电池包壳体质量减少，拓展电池包在新能源汽车等领域的应用。

Description

一种电动汽车电池壳框架横梁结构及设计方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车应用领域，尤其涉及一种电动汽车电池壳框架横梁结构及设计方法。
背景技术
随着我国新能源汽车的快速发展，电动化已成为汽车发展的主要趋势之一。其中，动力电池系统壳体作为新能源动力系统电池模块的承载体，对电池模块的稳定工作和安全防护起着关键作用，在满足强度、刚度等承载性能要求的同时，尽可能降低总重量以满足新能源汽车电池包壳体轻量化的需求。目前，国内外整车制造厂已专门开发了电动车底板平台使电池系统布局，其中对电池壳体的轻量化设计要求不断提高，需要进一步开展电动汽车电池壳体精细化设计。
动力电池包由壳体框架、模组、散热系统和控制系统组成。由于散热系统与控制系统结构复杂，轻量化难度大；模组的重量由电芯决定，直接影响电池的能量密度；因此，目前电池包的轻量化工作集中于壳体框架的减重。当前，国内外研究学者对电池包壳体的优化工作集中在形貌优化和尺寸优化两部分，提出模组布置、电池包能量密度优化等方法，但上述方法对电池壳体框架的改变大、应用难度高。如能通过对电池包组成零部件的优化工作来降低电池包重量，将能拓展新结构与方法在电池包制造及新能源汽车制造领域的应用。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种电动汽车电池壳框架横梁结构，利用加强筋、空心槽等结构设计，降低横梁结构及电池包的重量，同时满足电池包强度要求，获得低成本、高强度的轻量化电池壳框架，拓展电池包在新能源汽车等领域的应用。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过合理的电池包下壳体组成零件的结构优化设计，利用加强筋等结构减少电池包下壳体横梁重量，降低下壳体框架总质量，获得低成本、轻量化的电动汽车电池包，拓展在新能源汽车等领用的应用。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种电动汽车电池壳框架横梁结构设计方法，所述方法包括以下步骤：
S101：分析电动汽车动力电池壳框架结构，确定所述电池壳框架设计条件；
S103：利用三维模型设计、载荷校核模型进行测试工况仿真，确保所述电池壳框架结构满足所述设计条件；
S105：确定所述电池壳框架横梁轻量化拓扑优化边界条件；
S107：开展多工况下的所述横梁拓扑优化结构设计；
S109：针对优化后的所述横梁轻量化拓扑优化结构，进行所述电池壳框架的性能校核；
S111：判断所述横梁拓扑结构是否满足所述电池壳框架的性能要求，如不能满足所述性能要求，重复步骤S107-S111。
进一步地，所述S105步骤中的所述电池壳框架横梁轻量化拓扑优化边界条件包括应力和应变。
进一步地，所述S107步骤中的所述多工况包括挤压、扭转、侧挤和跌落工况，所述横梁拓扑优化结构设计方法包括变密度法。
进一步地，所述S111步骤中的所述电池壳体框架的性能要求包括强度、变形量和刚度。
另一方面，本发明还提供了一种电动汽车电池壳框架横梁结构，所述横梁结构应用本发明提供的一种电动汽车电池壳框架横梁结构设计方法设计，所述横梁结构包括：
横梁上边框和横梁下边框，用于固定所述横梁结构，并连接所述电池壳框架的其它组件；
肋条和加强筋，用于提升所述横梁结构强度，使所述横梁满足所述电池壳框架的强度要求；
槽，包括开口槽、圆槽、异形槽和矩形槽，所述槽根据力传递路径设计，用于减少所述横梁结构质量；
减薄区，设置为在力传递路径中承受一定载荷的减重区域。
进一步地，所述横梁上边框、所述横梁下边框的横截面形状包括直线、曲线和折线。
进一步地，所述肋条、所述加强筋的横截面形状包括工字形、口字形和日字形。
进一步地，所述开口槽的横截面形状包括圆形、方形、梯形和菱形。
进一步地，所述圆槽的横截面形状包括正圆和椭圆。
进一步地，所述矩形槽的横截面形状包括正方形、长方形、梯形和菱形。
在本发明的较佳实施方式中，本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：
1、通过本发明提供的电动汽车电池包壳体框架横梁结构设计方法，通过基于电池包壳体力传递过程进行横梁结构拓扑优化设计，获得满足强度要求的电池包壳体横梁轻量化结构；
2、本发明提供的电动汽车电池包壳体框架横梁结构，利用加强筋、空心槽等结构设计，降低了横梁结构及电池包的重量，同时满足电池包强度要求，获得低成本、高强度的轻量化电池壳框架。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的电池壳框架横梁结构设计方法流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例的电池壳框架横梁结构拓扑优化设计过程流程图；
图3是本发明的一个较佳实施例的电池壳框架横梁结构三维轴测图示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例的包含优化的Al合金横梁结构的电动汽车电池壳框架示意图；
图5是本发明的一个较佳实施例的电动汽车电池壳框架横梁结构主视图示意图；
图6是本发明的一个较佳实施例的电动汽车电池壳框架Al合金横梁结构三维轴测图；
图7是本发明的一个较佳实施例的电动汽车电池壳框架Al合金横梁结构主视图示意图；
图8是本发明的一个较佳实施例的电动汽车电池壳框架Al合金横梁结构尺寸图；
图9是本发明的一个较佳实施例的电动汽车电池壳框架Al合金横梁挤压性能验证数据。
其中，1-横梁上边框，2-横梁下边框，3-肋条，4-加强筋，5-开口槽，6-圆槽，7-异形槽，8-矩形槽，9-减薄区，10-电池壳框架左边框，11-电池壳框架右边框，12-电池壳框架上边框，13-电池壳框架下边框，14-电池壳框架纵梁，15-电池壳框架横梁。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1、图2所示，本发明实施例提供的一种电动汽车电池壳框架横梁结构设计方法，所述方法包括以下步骤：
S101：分析电动汽车动力电池壳框架结构，确定所述电池壳框架设计条件；
S103：利用三维模型设计、载荷校核模型进行测试工况仿真，确保所述电池壳框架结构满足所述设计条件；
S105：确定所述电池壳框架横梁轻量化拓扑优化边界条件；
S107：开展多工况下的所述横梁拓扑优化结构设计；
S109：针对优化后的所述横梁轻量化拓扑优化结构，进行所述电池壳框架的性能校核；
S111：判断所述横梁拓扑结构是否满足所述电池壳框架的性能要求，如不能满足所述性能要求，重复步骤S107-S111。
在上述设计方法中，考虑到电池壳框架横梁轻量化拓扑优化边界条件包括应力和应变，电池壳体框架的性能要求包括强度、变形量和刚度，考虑到电池壳体框架的实际使用过程中的多工况，如挤压、扭转、侧挤和跌落等多种工况，横梁拓扑优化结构设计方法采用如变密度法等设计方法。通过上述电池包壳体框架横梁结构设计方法，基于电池包壳体力传递过程进行横梁结构拓扑优化设计，获得了满足强度要求的电池包壳体横梁轻量化结构，这种电池包壳体横梁轻量化结构可以拓展在新能源汽车等领用的应用。
如图3、图4所示，本发明实施例提供的一种电动汽车电池壳框架横梁结构，该横梁结构应用本发明实施例提供的电动汽车电池壳框架横梁结构设计方法设计，所述横梁结构包括：
横梁上边框1和横梁下边框2，用于固定电池壳框架横梁15，并连接所述电池壳框架的其它组件；
肋条3和加强筋4，用于提升电池壳框架横梁15的强度，使电池壳框架横梁15满足所述电池壳框架的强度要求；
槽，包括开口槽5、圆槽6、异形槽7和矩形槽8，所述槽根据力传递路径设计，用于减少电池壳框架横梁15结构质量；
减薄区9，设置为在力传递路径中承受一定载荷的减重区域。
通过上述设计方法得到的电池壳框架横梁15，其中，横梁上边框1、横梁下边框2的横截面形状包括直线、曲线和折线，肋条3和加强筋4的横截面形状包括工字形、口字形和日字形，开口槽5的横截面形状包括圆形、方形、梯形和菱形，圆槽5的横截面形状设置为包括正圆和椭圆，矩形槽8的横截面形状包括正方形、长方形、梯形和菱形。上述电池壳框架横梁15，利用了加强筋和空心槽等结构设计，降低了电池壳框架横梁15及电池包的重量，同时满足电池包强度要求，获得低成本、高强度的轻量化电池壳框架，这种低成本、高强度的轻量化电池壳框架，可以广泛应用于新能源汽车等领域的应用。
下面结合本发明的优选实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1、图2所示，本发明的优选实施例的电动汽车电池壳框架Mg合金横梁结构轻量化优化设计的实施过程，包括：
步骤1、分析如图4所示的电动汽车动力电池壳框架结构，根据GB 38031－2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》确定100kN挤压工况为该动力电池包壳体框架设计条件；
步骤2、利用Solidworks建立电池壳框架三维结构模型，包括电池壳框架左边框10、电池壳框架右边框11、电池壳框架上边框12、电池壳框架下边框13、电池壳框架纵梁14和4条电池壳框架横梁15；
步骤3、对100kN挤压工况下的电池壳框架横梁15受力情况进行分析，获得电池壳框架横梁15结构拓扑优化的应力边界条件；
步骤4、基于变密度法确定电池壳框架横梁15轻量化拓扑优化结构，质量减少37％；
步骤5、将具有轻量化结构的电池壳框架横梁15放置于电池壳框架中，校核挤压工况下的电池壳体框架强度。如果满足动力电池包壳体框架设计条件中的性能设计要求，则设计完成，设计输出的具有轻量化结构的电池壳框架横梁15，就是本发明所需要的电动汽车动力电池壳体框架结构；否则，继续进行优化设计，直到输出的具有轻量化结构的电池壳框架横梁15满足性能设计要求。
如图9所示，本发明的一个优选实施例中，电动汽车电池壳框架采用Al合金横梁的挤压性能验证数据。
实施例2
如图4所示，本发明的优选实施例的电动汽车电池壳框架横梁结构，该电池壳框架横梁为Al合金横梁结构，包括电池壳框架左边框10、电池壳框架右边框11、电池壳框架上边框12、电池壳框架下边框13、电池壳框架纵梁14和电池壳框架横梁15，电池壳框架横梁15为多条，本优选实施例中为4条。
如图3所述，本发明的优选实施例的电动汽车电池壳框架横梁15，包括横梁上边框1、横梁下边框2、肋条3、加强筋4、减薄区9和多个槽。其中，横梁上边框1、横梁下边框2用于横梁结构的固定及于电池包纵梁等其他组件的连接；肋条3、加强筋4用于轻量化横梁结构强度提高，以满足电池包壳体强度要求；多个槽包括开口槽5、圆槽6、异形槽7和矩形槽8，这些槽根据力传递路径设计，用于减少电池壳框架横梁15结构质量，减薄区9是指在力传递路径中，需要承受一定载荷的减重区域。优选地，横梁上边框1、横梁下边框2的横截面形状包括但不限于直线、曲线和折线，肋条3和加强筋4的横截面形状包括但不限于工字形、口字形和日字形，开口槽5的横截面形状包括但不限于圆形、方形、梯形和菱形，圆槽5的横截面形状设置为包括但不限于正圆和椭圆，矩形槽8的横截面形状包括但不限于正方形、长方形、梯形和菱形。电池壳框架横梁15结构由上述部分组合而成，以满足横梁力传递路径和承载强度要求。如图5、图6、图7所示，本发明的优选实施例中，给出了电动汽车电池壳框架横梁15结构主视图示意图、三维轴测图和主视图示意图，从多个维度说明了电池壳框架横梁15的结构。
实施例3
如图8所述，本发明的一个优选实施例中，对电动汽车电池壳框架横梁15进行了详细设计，该电池壳框架横梁15采用Al合金，对电池壳框架横梁15中的关键部件进行了详细设计，并给出了具体的尺寸图。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电动汽车电池壳框架横梁结构设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S101：分析电动汽车动力电池壳框架结构，确定所述电池壳框架设计条件；
S103：利用三维模型设计、载荷校核模型进行测试工况仿真，确保所述电池壳框架结构满足所述设计条件；
S105：确定所述电池壳框架横梁轻量化拓扑优化边界条件；
S107：开展多工况下的所述横梁拓扑优化结构设计；
S109：针对优化后的所述横梁轻量化拓扑优化结构，进行所述电池壳框架的性能校核；
S111：判断所述横梁拓扑结构是否满足所述电池壳框架的性能要求，如不能满足所述性能要求，重复步骤S107-S111。
2.如权力要求1所述的设计方法，其特征在于，所述S105步骤中的所述电池壳框架横梁轻量化拓扑优化边界条件包括应力和应变。
3.如权力要求1所述的设计方法，其特征在于，所述S107步骤中的所述多工况包括挤压、扭转、侧挤和跌落工况，所述横梁拓扑优化结构设计方法包括变密度法。
4.如权力要求1所述的设计方法，其特征在于，所述S111步骤中的所述电池壳体框架的性能要求包括强度、变形量和刚度。
5.一种电动汽车电池壳框架横梁结构，其特征在于，所述横梁结构应用如权利要求1-4中任意一项所述设计方法设计，所述横梁结构包括：
横梁上边框和横梁下边框，用于固定所述横梁结构，并连接所述电池壳框架的其它组件；
肋条和加强筋，用于提升所述横梁结构强度，使所述横梁满足所述电池壳框架的强度要求；
槽，包括开口槽、圆槽、异形槽和矩形槽，所述槽根据力传递路径设计，用于减少所述横梁结构质量；
减薄区，设置为在力传递路径中承受一定载荷的减重区域。
6.如权力要求5所述的横梁结构，其特征在于，所述横梁上边框、所述横梁下边框的横截面形状包括直线、曲线和折线。
7.如权力要求5所述的横梁结构，其特征在于，所述肋条、所述加强筋的横截面形状包括工字形、口字形和日字形。
8.如权力要求5所述的横梁结构，其特征在于，所述开口槽的横截面形状包括圆形、方形、梯形和菱形。
9.如权力要求5所述的横梁结构，其特征在于，所述圆槽的横截面形状包括正圆和椭圆。
10.如权力要求5所述的横梁结构，其特征在于，所述矩形槽的横截面形状包括正方形、长方形、梯形和菱形。
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