摘 要

电动汽车动力电池是电动汽车最为重要的部件之一，这与其在传统汽车相对应的部件油箱不同。电池箱起盛装电池、电池的管理单元、连接器、线缆组件的作用。电池箱及其内部电池的的结构安全与电气安全是动力电池在安全方面最为最重要的两个方面，整台车辆的安全、寿命以及消费者最为关注的续航都直接受其影响，而在这其中，结构安全的首要保障是结构强度。本文用ABAQUS对电动汽车电池箱箱体完成设计、建模和有限元分析。计算了电池箱在不同工况下的强度和模态参数。对原始电池箱箱体模型进行改进轻量化处理，并经过验证符合要求。从以上方面验证电池箱箱体的结构强度安全性和可靠性。

关键字：电池箱；有限元；结构强度

Abstract

An electric vehicle power battery is one of the most important components of an electric vehicle, which is different from a component fuel tank corresponding to a conventional automobile. The battery box functions as a battery, battery management unit, connector, and cable assembly. The structural safety and electrical safety of the battery box and its internal battery are the two most important aspects of the safety of the power battery. The safety and longevity of the entire vehicle and the life most concerned by consumers are directly affected by it. Among them, the primary guarantee of structural safety is structural strength.This paper uses ABAQUS to complete the design, modeling and finite element analysis of the electric vehicle battery box. The strength and modal parameters of the battery box under different operating conditions were calculated. Verify the structural strength safety and reliability of the battery box body from the above two aspects.

Keywords: battery box; finite element; structural strength

目 录

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

汽车，现在已经成为了这个时代不可缺少的一部分，为经济发展贡献着力量，推动着社会的进步和发展。

传统的燃油汽车，发展至今，再作出哪怕一点进步，经济性动力性再想继续提升改进，都已经需要付出很大的代价。随着环保观念的深入人心，高污染会产生废气的传统燃油汽车暴露出来与环保不可调和的矛盾也就愈发明显。此外，一次次的石油危机也告诉我们，化石资源的不可再生性和有限性也让我们头顶始终悬有一把达摩克里斯之剑。

当今，在电机驱动技术和电池储能技术的进步下，这一问题目前看到了解决的曙光，那就是发展新能源汽车，发展电动汽车。相比于传统燃油汽车，电动汽车在使用中，不会产生对大气不友好的尾气，并且在相同的成本下，电机驱动能够得到比内燃机更好的加速性能。两者的优势劣势差别不再那么明显。开发高效、无污染、可持续利用的新能源汽车，设计汽车无污染燃料并实现模化，是目前全球汽车行业发展的关键点^[1]。

基于以上，随着技术的进步和消费者观念的转变，在国家的大力推动下，新能源汽车的产销量逐渐增长。为得到更好的使用体验，与传统电动汽车一样，电动汽车在研发时，就必须考虑各个组成部件及系统之间的安全性能及耐久性能。

1.2新能源电动汽国内外的发展概况

1.2.1国外发展现状

进入2019年以后，全球范围内的新能源电动汽车的月产销量已经超过二十万辆，同比增长将近百分之六十。

早在1996年，通用汽车公司就推出了第一款也是目前为止唯一一款以通用为名发行的乘用车GM EV-1。第一代续航112-160公里，该车使用铅酸电池，而第二代在轻量化处理并使用镍氢电池后续航增加至160-230公里。在那个年代是当之无愧的性能优越，但因时代和技术的限制导致成本高昂，最终在产量达到一千辆后，无奈停产，而通用下一次生产电动车则要等到2011年的雪佛兰纯电动版爱唯欧。而通用汽车在国内的合资公司在2019年四月份的上海车展上发布了其第一款纯电动汽车VELITE6，续航360km。

图1.1上汽通用别克VELITE 6图片（笔者拍摄于2019上海车展）

德国大众汽车在柴油门后，对电动车进行了大量的投入，开发纯电动汽车平台MEB平台。目前已取得突破性进展，该平台的第一款车型I.D.3已经于2019年5月8日在欧洲进行发布，宣称的续航里程根据版本不同从330km到550km，使用锂离子电池作为动力源。其在国内的合资企业上海大众则将其朗逸、保罗等几款燃油车辆进行了油改电以应对国家政策法规要求。

图1.2上汽大众电动朗逸图片（笔者拍摄于2019上海车展）

图1.3上汽大众电动保罗图片（笔者拍摄于2019上海车展）

沃尔沃旗下的电动汽车子品牌Polestar在3019年三月底发布了其旗下的第一款量产电动轿跑Polestar 2，该车使用72kwh容量的电池组，标称续航里程达到了500km。

在2018年下半年，奔驰发布了其旗下第一款纯电动SUV车型EQC，标称续航450km，使用80kwh的锂离子电池，EQC也是其电动汽车家族EQ里的第一款车型，在豪华车领域与各家电动车进行竞争，此车将于2019年下半年由北京奔驰进行国产。

图1.4奔驰EQC图片（笔者拍摄于2019上海车展）

而提到电动汽车，无法绕开的话题便是特斯拉公司，从model s、model x到前段时间刚刚在上海亮相宣布在国内上市并即将国产的model 3，特斯拉从亮相至今就一直是整个电动汽车行业的标杆性企业，国内不少新能源电动汽车造车新势力便是使用了其共享出来的相关技术和理念。

图1.5特斯拉model3图片（笔者拍摄于2019上海车展）

1.2.2国内发展情况

目光回到国内，电动汽车市场上竞争激烈，各家产品都在不断进步，更新频率非常快，令人目不暇接。由于各国在新能源汽车方面的研宄还均未成熟，所以我国在电动汽车的研发生产过程中，受到知识产权方面的约束较少，从而更有可能创造出具有中国特色的，不受产权约束的新能源汽车^[2]。比亚迪是国内电动车行业事实上的第一名，2019年1月19日，其最新产品元EV535正式开启预售，使用全新三元锂电池，容量达到52.2kwh，续航能够达到140km。

新能源造车新势力的代表蔚来汽车一直以来都是国内新能源汽车新闻话题的热点，目前其第一款量产产品ES8的销量已经突破万辆，同时其也于2019年上海车展上亮相了其新一代产品ES6。本文所设计的电池箱箱体基本外形灵感即

来源于一张蔚来汽车进行宣传的PPT，在此鸣谢之。

图1.6蔚来ES8图片（笔者拍摄于2019上海车展）

图1.7蔚来ES6图片（笔者拍摄于2019上海车展）

吉利汽车在发售其油改电产品帝豪EV等产品后，又发布了其纯电动子品牌几何，第一款车型几何A亦已亮相上海车展。

图1.8吉利几何A图（笔者拍摄于2019上海车展）

图1.9吉利几何A图（笔者拍摄于2019上海车展）

目前已经明确宣布要破釜沉舟放弃传统燃油汽车的北汽集团，从最初的EU200这种钣金都做不好的政策骗补车到现在标称续航520km实际续航400 km的新一代产品EU5，北汽在新能源汽车上的进步很大。

1.3电动汽车动力蓄电池箱箱体的研究意义和现状

车载能量供给装置，即动力蓄电池是电动汽车的唯一动力来源，电池箱是电动汽车能量供给的重要零件之一，起盛装电池、电池管理单元、连接器、线缆组件的作用^[3]。这与其在传统汽车相对应的部件油箱不同。电池箱及其内部电池芯的的结构安全与电气安全是动力电池在安全方面最为最重要的两个方面，整台车辆的安全、寿命以及消费者最为关注的续航都直接受其影响，而在这其中，结构安全的首要保障是结构强度。

动力电池电池箱箱体在设计时需考虑多种因素，包括，机械结构的安全性，通风散热以及加热的性能，防水防尘与密封性能。

为了使得动力电池的工作可靠性与安全性得到有效的保证，针对动力电池箱的结构强度来进行应力的模拟和分析是必不可少的，有着非常的重要意义。由于电池箱相对于其他部件来说其结构比较特殊的，加之新能源汽车在行驶时所经历的工况非常多样化,使用传统的方法对电池箱箱结构应力与应变进行分析工作会显得比较困难，而借助CAE有限单元方法则可以得到相对准确的结果。电池的箱体是一个复杂的机械结构，本文将采用CAE技术设计性能仿真以及结构优化一款较为可靠的动力电池箱^[4]。

新能源汽车各种零部件和系统构件的开发过程之中，基于有限元的理论发展而来的CAE分析技术在得到了广泛和普遍的使用与应用。通过CAE进行技术分析模拟，可以在实体模型制作之前就得到目标零部件的一些相关理化性能，更简单方便的得到各项参数，节约大量人力和物料以及时间成本，以便能够更好更快的进行开发流程。

章丽^[1]等人通过使用Solidworks Simulation软件对大型客车的电池箱进行了强度方面的研究模拟，来看其有没有符合国家所制定的相关标准，针对不合格的部位进行改进，使得电池箱符合行驶时的不同工况要求。黄晶^[2]针对某型号电动汽车的电池箱箱体结构进行了CAE分析，进行了其动静态与模态分析，并对该电池箱箱体进行了结构优化使其轻量化。汤贵庭^[3]等人对电池箱箱体使用ANSYS分析软件进行了仿真模拟，并对结构进行了改进，使得电池箱的应力得到了提高,质量减少了65.85%。冷晓伟^[4]董相龙^[5]孙昱晗^[6]De Vita Armando^[7]等人均对某型电池箱使用ANSYS、ABAQUS、SolidWorks等软件进行了动静态刚强度、模态分析和热力分析，并对其相关电池箱箱体所存在的缺陷进行了改进。

1.4研究的内容

在本文中，对电动汽车电池箱箱体的强度进行的数值计算模拟分析时，使用力学的相关理论与CAE有限元的方法。

本文的主要研究内容有：

1. 在ABAQUS中建立电池箱箱体三维模型，合理划分网格，定义箱体静载荷，确定研究工况及边界条件。
2. 电池箱箱体材料选用宝钢SAPH440号汽车结构钢。
3. 在ABAQUS中计算电池箱箱体在研究工况下的应力与应变。模拟计算得到电池箱前10阶模态频率和模态振型。
4. 比较原始与改进型的结果数据，分析轻量化设计的优点。

对电池箱箱体的结构进行实验验证分析，仿真模拟的结果对电动汽车乃至传统燃油汽车中类似的箱体结构的强度与静力学方面的性能分析，具有一定的参考意义，并且可以为企业上对电动汽车电池箱体的设计与安全运行及可靠性分析提供一定的理论依据。

1.5本章小结

在本章中，说明了电动汽车发展的必要性，国内外各大企业对当前新时代下的新形势所作出的反应，同时也阐述了在新能源电动汽车的整体结构中，电池箱所起到的至关重要不可缺少的作用。

第二章 电池箱有限元建模与仿真

2.1有限元方法理论基础

2.1.1有限元方法基本理论

电子计算机CAE仿真，是在电子计算机上运行模拟出该模型，基础原理理论是建立系统的数学模型，进而进行系统的科学实验研究的一个过程。最早在上个世纪的50年代初，在美国的国防科技和军工设计制造部门中就开始出现了仿真技术。用以进行科学研究，工程设计，辅助决策以及系统优化等方面的工作，这使得工程技术设计人员的许多传统设计观念与方法方面出现了许多巨大的变革。

电子计算机仿真CAE技术，是科学理论分析与实验研究进行改造与认识这个世界的新一代方法。有限元法的应用提高了产品和工程技术的可靠性，发现了产品设计初期阶段的潜在问题，经过分析、计算，得到最优方案，其分析结果可作为设汁和零件改进的依据，从而大大减少了人工及原材料的费用，缩短了产品的开发周期^[5]。

进行结构矩阵分析是有限单元分析方法最基本的思路思想，通过使用数学与物理的手段建立起模型来模拟出现实中需要处理的对象或过程，连续的物体是用有限个的基本单元集合体来进行模拟，而这些单元体之间依靠数量有限的单元体来进行相互连接，让各个节点的位移分量被当作为系统里的基本未知量，由此基础之上，单元内的位移分布规律用一个或多个假设出来的函数来进行近似模拟，即选择相应的位移模式。