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原文传递车载动力电池包结构分析及优化设计

论文题名：	车载动力电池包结构分析及优化设计
关键词：	动力电池包;电动汽车;有限元分析;人工神经网络模型;结构优化;疲劳寿命
摘要：	随着电动汽车的迅速发展，消费者对于电动汽车的动力性与安全性要求也逐渐提高。尤其是对电动汽车的唯一动力源动力电池包而言，其因受电池单体能量密度较低的技术制约，为满足整车动力性需求，通常采用增加电池单体数量的方式，这一方式导致电池包结构重量较大，占据整车重量的20%~30%，使得电动汽车续航里程及整车动力性不能大幅提升。故为突破这一限制，可对电池包结构进行优化设计。与此同时，也需保证其具有足够的强度、刚度和疲劳寿命，保证其满足各项使用要求，故对电池包结构进行结构优化设计对提高整车动力性具有重大意义。　　本文以某款电动汽车动力电池包作为研究目标，综合采用有限元法、模态实验法和人工智能算法对动力电池包结构进行结构优化设计，并对优化后的电池包结构进行安全性和耐用性校核。主要研究内容如下：　　（1）首先阐述了国内外对于电池包结构优化技术研究背景意义及现状，然后利用相关软件对电池包实物进行测绘，并对电池包结构中的非必要受力部件进行简化处理，然后建立近似等效有限元模型。　　（2）综合运用有限元仿真和模态实验法对上述有限元模型的正确性进行验证，对比结果其误差在±5%以内，符合理论计算要求，即表明有限元建模的有效性和可靠性。由约束模态的一阶模态频率值86.04Hz可知其固有频率大于外界激励频率，故不会产生共振损坏；然后对电池包颠簸路面上的左（右）转弯、颠簸路面急刹车、颠簸路面起动和颠簸路面爬坡五种典型工况进行静力学特性分析，其中最大应力值为145.29MPa，最大变形量为0.87mm，即表明原始结构具有足够强度和刚度。结合整体结构尺寸可知其结构整体设计过于保守，故可对其进行结构优化减重设计。　　（3）基于上述有限元结果及相关资料，选定对电池包结构重量及模态的影响因素作为设计变量，改变设计变量组合获得65组样本数据后，结合L-M梯度下降算法对其进行结构优化，并设计对比方案对优化结构进行验证。得到仿真分析结果与预测结果误差在±1%以内，即证明L-M梯度下降算法优化结果的可靠性，另外结合对比验证优化方案，从整体重量和安全系数的角度综合考虑，证明优化设计方案的可行性。最终选取最优结构进行仿真计算求解，得到最大应力值为154.53MPa，一阶模态频率值为78.557Hz，均满足使用需求。相比于原始结构的236.16kg，优化后的电池包结构整体减重30.93kg。　　（4）针对优化后电池包结构及随机振动试验标准，采用疲劳分析软件计算得出疲劳寿命大小及损伤位置分布，结果表明Z轴随机振动疲劳寿命在X、Y、Z三轴中的随机振动寿命最小，其值为4.336×106s远大于国标测试求测试时间的12h，即符合理论需求。
作者：	崔长青
专业：	机械工程
导师：	刘娜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2021