面向刮底安全的电池包防护结构轻量化设计

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.19.009

中国机械工程 ›› 2023, Vol. 34 ›› Issue (19): 2343-2352.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.19.009

面向刮底安全的电池包防护结构轻量化设计

王超1;成艾国1;张承霖1;于万元2;何智成1

1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点试验室，长沙，410082
2.柳州职业技术学院汽车工程学院，柳州，545001

出版日期:2023-10-10 发布日期:2023-11-02
通讯作者: 成艾国（通信作者），男，1972年生，教授、博士研究生导师。研究方向为车身结构设计和优化、材料成形CAE分析、汽车产品的生态和节能技术研究及应用等。发表论文80余篇。E-mail：cheng_aiguo@163.com。
作者简介:王超，男，1989年生，博士研究生。主要研究方向为车身结构智能设计、碰撞安全及轻量化。发表论文3篇。E-mail：wangchao_aisn@126.com。
基金资助:
国家重点研发计划（2020YFA0710904-03）；国家自然科学基金联合基金（U20A20285）

Lightweight Design of Protective Structures of Battery Packs for Bottom-scraping Safety

WANG Chao1;CHENG Aiguo1;ZHANG Chenglin1;YU Wanyuan2;HE Zhicheng1

1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body，Hunan
University，Changsha，410082
2.College of Automotive Engineering，Liuzhou Vocational & Technical College，Liuzhou，Guangxi，
545001

Online:2023-10-10 Published:2023-11-02

摘要/Abstract

摘要： 为保护刮底工况中的电池包，提出了一种铝合金防护结构的截面-布置设计方法。建立了整车刮底仿真模型，并定义了电池包模组侵入量目标，通过对防撞梁进行三点静压试验和仿真分析验证了材料模型的准确性；对铝合金防护梁的截面进行拓扑优化，确定了防护结构的最优截面形状为“人”字形结构；对比分析了不同截面形状、安装位置和布置参数对刮底性能的影响，并研究了刮底防护的机理；最后，构建了混合近似模型，采用多目标海洋捕食者算法对结构进行截面-布置优化。研究结果表明，优化后的两种铝合金防护结构方案与原钢制结构方案相比，分别减重59.6%和46.8%，且电池模组侵入量满足要求。

关键词: 电池包刮底, 铝合金, 拓扑优化, 多目标海洋捕食者算法, 轻量化

Abstract: To protect the battery pack from bottom-scraping， a section-layout design method for aluminium alloy protective structures was proposed. Firstly， a simulation model of the bottom-scraping of the vehicle was established and the intrusion target of the battery pack module was defined. The accuracy of the material was verified by three-point static pressure tests and simulation analysis on the anticollision beam. Secondly， the “人” glyph optimal cross-section was determined through topology optimization. Then the effects of different section shapes， installation positions and layout parameters on the bottom-scraping performance were compared and analyzed. The mechanism of bottom-scraping protection was investigated. Finally， hybrid approximation models were constructed and the MOMPA was used to optimize the section-layout of the structures. The results show that the two optimized aluminium alloy protection structures are 59.6% and 46.8% lighter than the original steel structures， respectively， and the battery module intrusions meet the requirements.

Key words: battery pack bottom-scraping, aluminum alloy, topology optimization, multi-objective marine predator algorithm（MOMPA）, lightweight

中图分类号:

U463.83

王超, 成艾国, 张承霖, 于万元, 何智成. 面向刮底安全的电池包防护结构轻量化设计[J]. 中国机械工程, 2023, 34(19): 2343-2352.

WANG Chao, CHENG Aiguo, ZHANG Chenglin, YU Wanyuan, HE Zhicheng. Lightweight Design of Protective Structures of Battery Packs for Bottom-scraping Safety[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(19): 2343-2352.

参考文献

［1］许骏，王璐冰，刘冰河. 锂离子电池机械完整性研究现状和展望［J］. 汽车安全与节能学报， 2017， 8（1）：15-29.
XU Jun， WANG Lubing， LIU Binghe. Review for Mechanical Integrity of Lithium-Ion Battery［J］. Automotive Safety and Energy， 2017， 8（1）：15-29.
［2］孙智鹏，陈立铎，卜祥军. 动力电池挤压机械损伤后性能演化研究［J］. 电源技术， 2020， 44（7）：964-966.
SUN Zhipeng， CHEN Liduo， Bu Xiangjun. Study on Performance Evolution of Power Battery after Crushing Mechanical Damage［J］. Power Source Tech. ， 2020， 44（7）：964-966.
［3］朱晓庆，王震坡， WANG Hsin，等. 锂离子动力电池热失控与安全管理研究综述［J］. 机械工程学报， 2020， 56（14）：91-118.
ZHU Xiaoqing， WANG Zhenpo， WANG Hsin， et al. Review of Thermal Runaway and Safety Management for Lithium-ion Traction Batteries in Electric Vehicles［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2020， 56（14）：91-118.
［4］PAN Y， XIONG Y， DAI W， et al. Crush and Crash Analysis of an Automotive Battery-pack Enclosure for Lightweight Design［J］. International Journal of Crashworthiness， 2022， 27（2）：500-509.
［5］WANG W， DAI S， ZHAO W， et al. Design Optimization of a Novel Negative Poissons Ratio Non-module Battery Pack System Considering Crashworthiness and Heat Dissipation［J］. Composite Structures， 2021， 275.
［6］PAN Y， XIONG Y， WU L， et al. Lightweight Design of an Automotive Battery-pack Enclosure via Advanced High-strength Steels and Size Optimization［J］. International Journal of Automotive Technology， 2021， 22（5）：1279-1290.
［7］王国杰，余海龙，何恩泽，等. 电动汽车正面刮底工况设计及电池包防护优化分析［J］. 汽车工程学报， 2022， 12（3）：294-300.
WANG Guojie， YU Hailong， HE Enze， et al. Design of Front Bottom Collision Condition and Optimization of Battery Pack Protection for Electric Vehicles［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering， 2022， 12（3）：294-300.
［8］杨威. 车用动力电池包底部碰撞安全性分析［D］. 广州：华南理工大学， 2019.
YANG Wei. Safety Analysis of Bottom Crash of Vehicle Power Battery Pack［D］. Guangzhou：South China University of Technology， 2019.
［9］黄芦. 车用动力电池包底部冲击响应分析及安全性评价［D］. 广州：华南理工大学， 2021.
HUANG Lu. ImpactResponse Analysis and Safety Evaluation of the Bottom of EV Battery Pack［D］. Guangzhou：South China University of Technology， 2021.
［10］WANG S， ZHANG M， PEI W， et al. Energy-absorbing Mechanism and Crashworthiness Performance of Thin-walled Tubes Diagonally Filled with Rib-reinforced Foam Blocks under Axial Crushing［J］. Composite Structures， 2022， 299：116-149.
［11］陈静，唐傲天，田凯，等. 碳纤维复合材料防撞梁轻量化设计［J］. 汽车工程， 2020， 42（3）：390-395.
CHEN Jing， TANG Aotian， TIAN Kai， et al. Lightweight Design of Carbon Fiber Composite Anti-Collision Beam［J］. Automotive Engineering， 2020， 42（3）：390-395.
［12］杨江林，张诗阳. 基于非线性拓扑优化的汽车变厚度保险杠耐撞性设计［J］. 中国机械工程， 2017， 28（17）：2109-2114.
YANG Jianglin， ZHANG Shiyang. Crashworthiness Design of Bumper Beam Structure with Tailor Rolled Using Nonlinear Topology Optimization Method［J］. China Mechanical Engineering， 2017， 28（17）：2109-2114.
［13］曹立波，陈杰，欧阳志高，等. 基于碰撞安全性的保险杠横梁轻量化设计与优化［J］. 中国机械工程， 2012， 23（23）：2888-2893.
CAO Libo， CHEN Jie， OUYANG Zhigao， et al. Lightweight Design and Optimization of Bumper Beam Based on Automotive Crash Safety［J］. China Mechanical Engineering， 2012， 23（23）：2888-2893.
［14］王月，辛鹏程，周大永，等. 基于交通事故统计的电池包底部碰撞研究［J］. 汽车工程， 2021， 43（11）：1730-1735.
WANG Yue， XIN Pengcheng， ZHOU Dayong， et al. Study on the Collision of Battery Pack Bottom Based on Traffic Accident Statistics［J］. Automotive Engineering， 2021， 43（11）：1730-1735.
［15］KISTERS T， SAHRAEI E， WIERZBICKI T. DynamicImpact Tests on Lithium-ion Cells［J］. International Journal of Impact Engineering， 2017， 108：205-216.
［16］兰凤崇，郑文杰，李志杰，等. 车用动力电池的挤压载荷变形响应及内部短路失效分析［J］. 华南理工大学学报， 2018， 46（6）：65-72.
LAN Fengchong， ZHENG Wenjie， LI Zhijie， et al. Extrusion Load Deformation Response and Internal Short-Circuit Failure Analysis of Vehicle Power Batteries［J］. Journal of South China University of Technology， 2018， 46（6）：65-72.
［17］王登峰，李慎华. 基于Pareto挖掘的白车身侧碰安全件轻量化优化设计［J］. 中国机械工程， 2021， 32（13）：1584-1590.
WANG Dengfeng， LI Shenhua. Lightweight Optimization Design of Side Collision Safety Parts of BIW Based on Pareto Mining［J］. China Mechanical Engineering， 2021， 32（13）：1584-1590.
［18］ZHANG K， ZHOU G， DENG W， et al. MOMPA：Multi-Objective Marine Predator Algorithm［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2021， 385（1）：114029.
［19］FARAMARZI A， HEIDARINEJAD M， MIRJALILI S， et al. Marine Predators Algorithm：a Nature-Inspired Metaheuristic［J］. Expert Systems with Applications， 2020， 152：113377.

[1]	刘英杰, 胡强, 赵新明, 张少明, 黄帅, 王永慧. 汽车发动机连接支架拓扑优化及增材制造研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(18): 2238-2267.
[2]	董小虎, 王士涛, 周德淳. 光伏跟踪支架檩条结构高刚性轻量化设计[J]. 中国机械工程, 2023, 34(10): 1207-1213.
[3]	池慧, 燕猛, 项鹏飞, 徐正琦, 安子军, 黄华贵, . 轻质铝合金轮毂分级淬火形性调控策略[J]. 中国机械工程, 2023, 34(10): 1214-1219,1229.
[4]	文桂林, 陈高锡, 王洪鑫 , 薛亮, 魏鹏, 刘杰, . 含自重载荷的功能梯度材料结构时域动力学拓扑优化设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(23): 2774-2782.
[5]	贺红林, 赵伟鹏, 余志豪, 龙玉繁, 鄢殷期, 李冀. 约束阻尼板双线性材料插值法拓扑动力学优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(23): 2783-2789，2878.
[6]	丁延冬, 罗年猛, 杨奥迪, 王书亭, 朱浩然, 谢贤达. Bézier单元刚度映射下的高效多重网格等几何拓扑优化方法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(23): 2801-2810.
[7]	杨雨豪, 郑伟, 王英俊, . 一种自由度缩减和收敛加速的高效等几何拓扑优化方法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(23): 2811-2821.
[8]	孟亮, 仲明哲, 李文彪, 夏凉, 高彤, 朱继宏, 张卫红, . 面向增材制造的航空发动机外部系统支架拓扑优化设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(23): 2822-2832.
[9]	贾连辉, 李晓科, 袁文征, 何文斌, 廖兆锦. 基于拓扑优化和Kriging模型的前中盾结构轻量化设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(23): 2888-2897.
[10]	曹腾, 李晓牛, 王柏权, 温智益, 吴大伟. 单相压电电机驱动的高精度孔径光阑设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(20): 2414-2419.
[11]	何智成, 杨丁丁, 姜潮, 伍毅, 江和昕. 基于增材制造各向异性的强度约束拓扑优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(19): 2372-2380，2393.
[12]	杨卓云, 樊博成, 李萧逸, 张子路, 董国疆, . 7075铝板弹性模量退化行为研究及回弹预测[J]. 中国机械工程, 2022, 33(18): 2241-2248.
[13]	赵重阳, 陆俊宇, 王晓博, 赵波. 超声纵扭辅助铣削高强铝合金表面润湿性能研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1912-1918，1927.
[14]	高宾华, 何训, 王其荣, 金滩, 尚振涛. 拟稳态条件下AA6061铝合金和TC4钛合金的电化学清理磨削[J]. 中国机械工程, 2022, 33(15): 1794-1802，1809.
[15]	黄志超, 胡兆骁, 刘帅红, 蔺永诚, 姜玉强, 周泽杰. SPFC440钢/5052铝自冲铆接头与胶铆复合接头腐蚀性能对比[J]. 中国机械工程, 2022, 33(11): 1345-1352.

面向刮底安全的电池包防护结构轻量化设计

Lightweight Design of Protective Structures of Battery Packs for Bottom-scraping Safety

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics