老司机们的能量来源是什么？当然是小姐姐们了！新能源汽车的能量来源是什么？那就是动力电池啦，电池包又大又重，在行驶中要受到很大的力，所以结构设计和受力情况就极为重要。
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电池包结构受力分析及优化设计
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一、前言
传统的内燃机汽车正在逐步向新能源汽车发展，在此过程中不论是作为过渡车型的混合动力汽车还是纯电动汽车，动力电池包都有着十分重要的作用。
动力电池作为混合动力汽车的储能元件, 对整车动力性及燃油经济性有着重要影响。而动力电池包作为纯电动汽车的唯一动力源，承受着电池组等模块的质量，因此其强度、刚度必须满足使用要求才可以保证行驶的安全性。
二、结构受力分析
整车在行驶过程中, 由于路面状况的差异会产生不同的行驶工况, 从而造成电池包的载荷条件随之变化。在整车行驶工况中, 组合工况、侧向冲击、过坑工况、倒车上台阶以及垂直冲击等工况较为常见。
以某纯电动汽车的动力电池为例进行分析。本文所研究的电池包是一种箱体结构，由高强度钢板焊接而成。因此采用板壳单元模拟电池包结构。为了减少模型前处理工作量，并不影响总体计算精度的前提下，在建立电池包有限元模型时，做出了以下的简化工作：如忽略一些尺寸较小的倒角、圆角、工艺孔等结构。
边界条件约束是结构有限元分析中的一个重要部分。约束的正确性决定着计算分析结果的准确性。由于电池包通过7个螺栓与车身连接，因此对连接的部分施加固定约束。
由于此款电池包应用于微型纯电动汽车，其主要在城市路面上行驶，因此对其在行驶过程中可能遇到的五种工况进行分析。即弯曲、制动、转弯、垂直极限和扭转五种工况。此电池包材料参数如下。
电池包满载静止工况主要是用来模拟电动汽车静止或者在路况较好的路面上行驶时的结构应力分布及变形情况。在这种工况下，电池包主要受到的载荷是包括电池包中的电池模块、控制模块以及连接部件等质量在重力加速度作用下所产生的重力。
从应变云图中，可以看出最大变形量为0.78823mm,出现在承重底板的中心处。这样的变形量虽然不是很大，不影响结构的使用功能，但是还有较大的优化空间。
电池包高速制动工况将模拟车辆在行驶过程中紧急制动时的载荷情况。车辆在制动时，电池包除了承受自身的重力外，还将受到纵向制动加速度引起的惯性力作用。而惯性力的大小则主要取决于制动加速度的大小以及电池包的重量这两个参数。
此时应力主要集中与底部支撑加强筋的边缘与x方向的两个吊耳上，于是应对吊耳进行单独的模型建立，并且划分网格，将吊耳所受到的载荷独立地施加在吊耳上，以此来分析吊耳的受力情况。
车辆在高速转弯时，车身因离心力作用而产生侧向载荷，由于动力电池包是与车身连接在一起的，所以在车辆高速转弯时，电池包也将承受一定的侧向载荷。离心加速度的大小由转弯半径与行驶车速的高低决定。在此工况下电池包需要承受的是自身的重力与离心力载荷。
应变较大的地方在支承电池组的地板中心处，应变最大值为0.79192mm。因此在之后的结构改进工作中要对此进行优化。
垂直极限工况是指车辆行驶在凹凸不平路面上时，发生垂直方向的颠簸从而产生垂直方向的载荷，引起结构发生变形的工况。
由上图可以看出，在2g垂向载荷作用下电池包底部的变形是相当明显的，最大应变值达到了1.5765mm，最大应力值达到了171.55MPa。因此加强支承底板中心处的强度是非常必要的。
当电动汽车行驶在凹凸不平的路面上时，会发生某个车轮被抬高而另一个车轮悬空的情况。此时，由于车辆的左右两侧受力不对称，电池包会产生就比较剧烈的扭转，如果结构不能保证足够大的扭转刚度，那么电池包结构就会发生严重的变形，从而导致电池包内部的电池受到挤压，最终会发生电池组错位、电池溶液泄露、短路等危险现象。
由图中可以看出，扭转工况下的最大应变出现在受力一侧最大应变值为0.36355mm，在1500N的集中力作用下，这样的变形量还不足以使得电池发生错位，因此，电池包结构具有足够的扭转刚度。而此时最大应力值为190.95MPa，主要集中于电池包的宽为93mm的吊耳上。
三、优化设计
结构受力分析后将应力图中的最大应力与所选材料所能承受的最大应力相比较，最大应力应在材料承受范围内，并根据应力分布对电池包的结构进行优化。
1）在四种工况下，电池包底部支承板加强筋的边缘应力都比较集中。
2）电池包底部支承板的中心变形较大。
1）针对上述第一个问题
主要原因是电池包的横向尺寸比较大，因此底部支承板加强筋的跨度比较大，加之其中部所受载荷比较大，导致中部变形量也较大，所以其边缘处的受力情况比较复杂，因此应力会比较集中。所以考虑将底部支承板加强筋改成与原来垂直的方向，并增加条数。
2）针对第二个问题
主要是因为加强筋之间的间距较大，对底板中部的支撑作用较小，所以在上述基础上，将一根加强筋的位置放在底板的中心部位，这样就可以有效地增加对底板的支承，从而减小底板的变形量。
进行优化设计后应将新的模型重新进行应力分析，并对比是否有达到优化目的。
由对比图中可以清晰地看出，改进前后电池包结构的性能发生了较大的变化，在各工况下，改进后结构的应力最大值均有较大幅度的减小，应变值除了在扭转工况下有很小的增加，其他工况下的减小量均达到了58%左右，可见改善的效果是相当明显的。同时，值得注意的是，所使用加强筋的总长度由2000mm减少到1836mm，在截面形状不变的情况下，材料的使用减少了164mm，减轻了整个电池包的重量，在性能提高的基础上实现了轻量化。
针对应力分析中出现的各种问题提高电池包设计的强度方法主要有改变材料，增加材料厚度、增加加强筋结构或倒角设计等，但与此同时可能带来使电池包制造成本增加，加工难度增加等的新问题。
故电池包的优化设计应在满足应力要求的基础上，系统地将降低加工成本、电池包轻量化、降低开发难度、减短周期等多项因素加入考虑，需要考虑电池包实际应用在车辆中的具体情况。
四、结语
经过对电池包受力情况的仿真模拟分析，可以对电池包设计进行有效的优化，使之能在各工况下进行正常工作，满足电池包结果强度要求，对于提高电池包的使用安全性、可靠性具有重要意义。
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