电动汽车电池板的轻量化

为什么重要？

多学科优化软件

MxDesign

MxDesign包含两款不同设计风格的多学科优化设计软件Wizard与NodeFlow，其中MxDesign.NodeFlow是一款以数据为驱动的开放的图形化设计软件，以工作流替代传统的设计逻辑作为软件的设计基础，通过细化的操作节点定义了最基本的流程逻辑单元，结合以工作流为导向的连接方式，给予用户极大的使用自由度，激发用户对于多学科设计的创造性。MxDesign.NodeFlow可以帮助工程师实现设计流程的自动化，降低多学科设计方法在工业产品创新研制过程中的使用门槛。

轻量化优化过程

1.需求分析与初步设计：

首先，对电池包的设计需求进行全面分析，包括强度要求、重量目标等。电池包几何模型包含上下壳体、支架等结构件，电池模组，BMS，铜排及其电气组件，散热冷板，冷却管道等。电池包整体尺寸约为长1067mm，宽903mm，高131mm。

电池包结构材料主要采用高强钢，主要零部件厚度：上壳体3mm，下壳体1.5mm，吊耳及其加强件2mm，内部主要支架1.5mm，其余支架1.2mm。

2.建立仿真模型

由于电池包零部件较多，考虑实际仿真分析工况，对有限元模型进行部分简化，去除了一些对仿真分析结果没有影响的零部件。其中，上下壳体及各支架均采用2D壳单元进行详细网格划分，网格基本尺寸3mm；电池模组不考虑内部具体结构采用六面体实体单元，网格基本尺寸10mm；其余部分铜排、BCU等结构主要采用六面体实体单元，网格基本尺寸3mm。

3.工况选择

以模态与机械冲击工况作为优化所用的工况，模拟电池包在整车行驶过程中遇到的冲击载荷，确保结构在实际冲击载荷工况下不发生撕裂、断裂、影响功能与性能的塑形变形等情况。

选择上箱体板厚、下箱体板厚、吊耳1板厚、支架1板厚为设计参数；约束电池包螺栓孔节点X、Y、Z方向的平动自由度和转动自由度，对电池包施加峰值25g(15ms 周期)的半正弦冲击波形，Z轴方向冲击3次。

4.优化与迭代

采用MxDesign.NodeFlow的优化模块进行轻量化设计。首先选择节点模块，导入对应求解文件，添加设计参数与变量范围，指定最小化质量为优化目标，指定最大应力<=1200Mpa，模态>30Hz作为约束条件，如图4所示，通过不断调整参数，自动迭代优化，寻找满足约束下的最优解。

结果

对优化结果进行圆整并验证，初始结果与优化结果对比如表1所示。在优化过程中，我们首先关注的是电池包的最大应力。通过MxDesign.NodeFlow的参数寻优，我们成功将电池包在各种载荷条件下的最大应力降低了5%。这一成果意味着电池包在实际使用中能够更好地承受各种应力，减少结构疲劳和断裂的风险，提升了整体安全性能。

优化的另一个重要成果是电池包质量减轻了11.1%。通过对结构的精细优化，我们在确保强度和刚度的前提下，成功减轻了电池包的重量。这不仅提升了电动汽车的续航能力，也降低了能耗，提高了能源利用效率。

表1 结果对比

结论

通过MxDesign多学科优化软件的应用，我们成功实现了电池包的轻量化设计，降低了重量的同时提升了结构强度。这不仅有助于提升电动汽车的续航能力和安全性能，还为制造商降低了生产成本。未来，我们将继续利用先进的优化工具，推动电动汽车技术的不断进步。