电动汽车的增强型电池组：降噪和刚度增加外文翻译资料

电动汽车的增强型电池组：降噪和刚度增加

M. Hartmanna , M. Roschitzb and Z. Khalilc

LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH, AIT Austrian Institute of Technology, Lamprechtshausener Bundesstraszlig;e 26, 5282 Ranshofen, Austria

aMatthias.Hartmann@ait.ac.at, bMartin.Roschitz@ait.ac.at, cZiad.Khalil@ait.ac.at

关键字：电动汽车，电池组，数值模拟，优化

摘要：振动和通过振动产生的噪音一直是车辆设计的主要问题之一。由于内燃发动机产生不同的激励器频率，因此电动汽车对传统的内燃机驱动汽车提出了不同的挑战。在本文中，采用了有限元（FE）优化软件OptiStruct [1]来优化电池组的设计，以此将电池壳体的固有频率提高到模型车辆激励器频率范围之外。并且，新的设计提高了电池组的刚度。此外，电池组的壁厚降低了，其重量相应减少了将近20％。

介绍：

车辆结构的固有频率一直是车辆设计的重要课题。车辆的舒适性有时是通过振动和由于车辆内部的振动而产生的噪音来限定的。因此，本文采用了几种方法，一方面是用来确定汽车的固有频率，另一方面是用来改变其固有频率。本文介绍了一种估计和更改给定设计空间特征值的数值方法，在奥地利资助的项目“ LiHSA”（Li-Battery Housing for Safety Application锂电池壳的安全应用）中进行应用）。 LIHSA是一个开发安全轻质锂电池和电池壳的项目。初始设计的基本尺寸为1219*650*186mm，见图1。外壳的所选材料是EN AW-6082 T4（铝-镁-硅可热处理强化合金）。电池组是汽车“Steyrer 1050”[2,3]原型的一部分。汽车“Steyrer 1050”是一项针对城市电动汽车的研究。由于Steyrer 1050作为原型车，它的励磁频率以及电池外壳的固有频率未知。

因此，该项目的重要部分是确定电池外壳的固有频率和车辆的励磁频率。此外，该项目还需要探测出励磁频率和固有频率的交点，并通过数值计算方法消除它们，以达到优化目的。最后，使用LS-DYNA [4]对最终设计进行了验证，确保最终设计仍符合要求。

本文的文章组成方式如下。本文的第一部分将描述应用的方法。然后会将继续介绍已取得的成果并对他们进行讨论。最后，本文的最后一部分将对论文进行总结。

图1 标注了外部尺寸和预设定的侧壁的基本外壳设计的CivilFEM模型；画圈

区域代表安装点，并在仿真过程中设定为固定边界。

方法：

“ Steyrer 1050”揭示了正弦驱动力的一些来源。我们发现频率由范围扩展器（以恒定的转速水平运行）激发，并且也有可能是由于轮胎失衡而导致。汽车以最大速度v=60km/h行驶，并且轮胎直径d=580mm时可能出现轮胎失衡，而且产生的最大频率f=2v/d为57.47Hz，随后范围扩展器以3500rpm的转速运行时的频率为58.33Hz。此外，电池机组通过风扇冷却，风扇以5000rpm的速度运行，产生83.33 Hz的频率。

本文用OptiStruct[1]进行特征值分析，以评估初始设计的固有频率。该模型在应该安装到车架的区域（即图1中的圆圈区域）没有自由度。由于安装架是由汽车预先设置好的，因此并没有进行描述固定点影响的研究。为了减少计算时间，本文使用了23,000个实体元素中的某一块来简化电池箱内部电池组的复杂结构。这种简化迫使模拟电池组的材料特性变得不自然。因此，在简单的弯曲载荷条件下，本文已经采用密度和杨氏模量来获得相同的重量和实际的挠度。模型的所有其他部分均以铝板建模。对于最初模型的模拟和后来模型的优化，对他们假设进行线性弹性材料的行为。OptiStruct中实现的通用Lanczos算法用于解决模型的特征值问题[1]。

本文仅选择顶部外壳和外壳的侧壁来对初始设计进行优化。顶部外壳被作为低固有频率的最关键区域。侧壁设计进行了多次迭代，结果显示其变化可忽略不计，因此该设计在早期阶段就停下了。在进行拓扑优化时，将要考虑的金属板分成较小的部分，并且这些部分垂直于其表面移动。但是，运动的零件保持连接，并且在指定的加载条件下，形貌的变化产生了更硬、更深的拉拔钣金。

由于制造限制，零件运动受到限制。当前工作中对这些运动使用的限制是：

1.沿法向最大移动量为plusmn;9毫米，

2.运动部件之间的连接应成45°角，并且

3.移动部件的直径不应小于20毫米。

法线方向上最大运动的边界是该方向上的设计空间。连接的角度和移动部件的直径受到限制，因此结果仍可得到。前三个自然频率的最大化是优化的目标。

为了减轻外壳的重量，进行了具有不同壁厚和拓扑优化初始状态的实验设计（DOE）。从优化结果中，得出了CAD（Computer-Aided Design计算机辅助构造）。

最后，通过LS-DYNA对来自CAD构造的优化设计进行了验证。验证使用相同的限制，特征值求解器也相同。此外，材料模型使用EN AW-6082 T4的流动曲线进行验证。

结果和讨论：

在这里，要提到的第一个结果是电池外壳设计的最低固有频率。在模拟中，最低固有频率出现在最高频率46.36Hz。以下优化的目标是将最低固有频率提高到最高励磁频率83.33Hz以上。

图2提供出了原始设计，这是通过OptiStruct优化实现的。在图的右半部分，展现出了侧壁。优化导致结构非常地不规则。可以看到对称的不规则矩形图案，该图案从金属板的中间向两侧抬高。经验表明，侧壁的刚度对于顶壳的刚度至关重要。

图2 外壳优化的结果：外壳的顶部（左侧）和侧壁（右侧）。

图2的左侧显示了针对外壳顶部壳体的设计方案。这里的优化非常接近于可制造的解决方案。结果显示地图像是轴对称的，因为这是优化的要求。在顶盒的中间，垂直于包装盒的初始表面降低了近乎是矩形的区域。仅在短边的中间，留了一个小峰在顶部。接下来的区域是一个矩形，这个矩形前方有一个近似三角形，其三角形的前部在包装处凸起。在板材的四个角处，将物料放到包装中。

图3的左图显示出了优化运行的迭代过程中固有频率的增加。继续进行OptiStruct优化，直到满足所有要求，前三个本征模的频率在大约83Hz的边界之上，并且满足收敛准则。之后，该程序将进行迭代，直到满足收敛标准为止。这就解释了曲线的右侧为什么是水平端。迭代3和6表示模式2和3的值相同，请参见图3左侧的圆圈。这表示壳体的双峰振荡，并且意味着同时引发两种不同的模式。通常情况，必须提到的是，这三种模式并不总是相同的。更改设计会使结构对一种或多种振动模式多少会变得更加敏感。

初始设计 优化设计 固有频率

模式1 模式2 模式3

迭代

频率

模式1 模式2

模式3 固有频率

图3 优化迭代的前三个固有模式的频率（左）以及初始设计和优化设计的固有频率之间的比较（右）。

图3的右图比较了初始设计和优化设计的频率。最低模式出现在96.26 Hz，比临界频率83.33Hz高了15.5％。与初始包装的最低自然频率相比，增强了108％。

接下来，将考虑由上述优化的OptiStruct设计得出的最终制造设计。在图4中，最终设计显示在左侧。由于目标的设计非常接近于可制造的设计，因此顶盒的设计没有太大变化。突起部分的拐角处仅调整了半径，并且边缘已被锐化。此外，由于制造工艺限制，调整了凸起部分之间的距离。

模式1 模式2 模式3

频率

图4 电池外壳的最终设计（左），以及经过LS-DYNA验证的原始优化与派生设计的比较（右）。

侧壁的最终设计看起来与OptiStruct的优化设计完全不同，但是原则上保留了优化的设计。矩形已替换为两个三角形。从图4的左侧可以看出，侧壁的左侧是右侧的中心对称图形。这是一种有针对性的措施，这样就可以可通过使用一个工具在侧壁的两半上冲压来降低工具成本。

图4中的曲线图显示了OptiStruct结果的固有频率与最终设计的固有频率之间的比较。由于必须略微更改设计，以保证通过深冲压过程的可生产性，因此特征值也发生了变化。我们试图使差异尽可能小，然而，对于第一本征模式的频率，最终设计甚至更好。频率已提高到99.95Hz，从而使第二和第三模式出现在较低的频率上。

初始方案 最终方案

频率

图5 归因于固有频率优化（左）和电池组的重量减轻，这归功于最终设计（右）。

作为优化固有频率的重要好处，外壳的重量得以减轻（图5中的图（左））。这是通过改变壁厚来实现的。对于外壳，重量减轻了17％。减轻外壳3.5公斤的重量似乎只占很小的比例，总重量约为2.7千克。电池组130公斤。然而，这种相当高的重量使得在每个可能的位置减轻重量很重要。最后，电池组是根据最终设计制造的（请参见图5（右））。

这项工作表明，在电池盒上压花大片可以避免低固有频率运行的趋势。取决于基本设计，相对较小的数值改变会大大抑制振动行为。降低噪音与安全性无关，但是要使Emobility对客户具有吸引力，就必须越来越重视舒适性。

总结：

本文概述了电池外壳的固有频率优化。并且研究了初始设计的固有频率以及参考电动汽车的励磁频率。电池外壳的最低频率从46.36Hz升至99.95 Hz，增加了116％。由此实现了最高激励器和最低固有频率16.62Hz之间的差，所有这些都通过减少振动来提高乘客的舒适度。除此之外，外壳的重量减少了17％。

致谢：

作者要感谢奥地利研究促进局（FFG）和联邦运输，创新与技术部（bmvit）为IV2Splus计划在A3plus框架内提供的财政支持。

参考文献：

[1] HyperWorks 11. Altair OptiStruct Manual.

[2] M. Hartmann, P. Simon, M. Roschitz, Z. Khalil, Numerical investigation of a hybrid space frame structure for electric driven vehicles of the l7e class, ANSYS Conference amp; 29. CADFEM Usersacute; Meeting, 2011.

[3] Ch. Chimani, M. Hartmann, P. Simon, M. Roschitz, Z. Khalil, Light weight design of Al-Mg hybrid space frames for urban e-vehicles, A3PS Austrian Agency for Alternative Propulsion Systems, 2011.

[4] John Q. Hallquist, LS-DYNA Theory Manual. Livermore Software Technology Corporation, March 2006.

电动汽车电池保护装置的安全性研究及轻量化设计

关键词：电动汽车，电池架，CAE，耐撞性，轻量化

摘要：在电动汽车方面，本文按照GB11551-2003规定的测试条件设计了用于电动汽车蓄电池的电池框架结构，并通过ANSYS / LA-DYNA进行了耐撞性有限元分析，并观察到电池框架的变形。在确保蓄电池不脱离钩环并逃入乘员舱的前提下，又对结构进行了优化，并对蓄电池保护装置的安全性进行了评估。另外还结合安全测试程序并完成轻量化优化设计。

简介：

安全问题仍然是电动汽车的普及和电池的耐撞性中汽车发展的重点[1-2]。电动汽车在交通事故中不仅面临传统的汽车伤害，其主要安全问题还包括集中在电池上：电池本身的安全性改进、电池管理系统的可靠设计、适用于电动汽车的车身结构设计等。正面、侧面、鞭打和侧倾冲击是车辆碰撞的常见形式，事故造成的正面冲击在中国死亡人数中所占比例最高，占事故总死亡率的32.8％[3-4]本文设计的电池框架结构旨在保护电动汽车的蓄电池和电池框架，进行了正面防撞性仿真分析。最后，基于冲击变形完成了结构的优化。

高性能锂电池的能量密度远不及汽油和其他传统能源，因此蓄电池组的数量在增加，并且造成汽车的总质量大于普通汽车。庞大的总质量和较低的电池能量密度导致缺乏电动汽车的持续行驶里程比一般汽车更低，因此其轻巧的设计至关重要。笔者以电池框架为研究对象，在电池框架的轻量化设计中主要采取尺寸优化。另外考虑到电动汽车的安全性，评估了轻量化程序，最后确定了最佳的轻量化设计。

电动汽车电池架设计：

电池架的布置

电池组布置确定电池框架的布置形式，用于支撑和约束电

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