某型商用车动力电池托架的轻量化设计.pdf

引言

在全球气候变暖以及能源危机的形势下，发展纯电动汽车成为世界各国节能减排

的重要举措。纯电动汽车具有噪音小、能耗低、绿色环保的优点，已逐渐成为汽车行

业中的热点，但是纯电动汽车的动力电池质量和体积较大，并且装载动力电池的托架

也过于厚重，这极大地增加纯电动汽车的整体重量，而整备质量又是影响新能源汽车

能耗极其重要的一个因素，因此，对动力电池托架进行轻量化的研究具有重要意义。

动力电池托架是承载动力电池的主要结构，一方面其底部支架形成电池组冷却结构的

底部风道，用以确保电池组工作在适当的温度范围内[1-2]，另一方面它作为电池组

的支撑结构，保证电池组在工作过程中始终安全可靠。本文来源于动力电池托架的实

际生产，主要使用ANSYSWorkbench进行有限元分析及结构优化，旨在以塑代钢

实现动力电池托架的轻量化；同时确保托架的承载强度，保证纯电动汽车行驶的可靠

性和安全性。

1电池托架结构分析

1.1电池托架结构形式

某型动力电池托架的总体尺寸长×宽×高=2430mm×935mm×1865mm，其

外罩结构使用材料为ABS，现对内部金属材质结构进行优化改进。图1为动力电池

托架内部结构图，材料采用结构钢Q235，为空心框架结构，质量为375kg。

图1动力电池托架内部结构图

1.2电池托架结构设计

使用通用塑料聚丙烯（PP）和工程塑料尼龙（PA6）及玻纤增强聚丙烯复合材

料（PP+GF30）以塑代钢，材料主要性能见表1。

表1材料性能特点对比

对原结构进行改进，采用分体式结构，上方采用方管和外壳相连，下方采用三角

连接件和车架连接，连接方式均采用螺栓连接。由此设计出三种方案，见表2。

表2三种结构方案

2电池托架有限元分析

2.1工况设置

动力电池质量约为1740kg，内部四个载物框架均受力4350N。由于电动

车在实际行驶过程中通过的路面条件复杂，同时，动力电池托架在随电动汽车行驶过

程中所受到的载荷并非直接来自于外界，而是来源于汽车制动、转弯、颠簸等状况下

电池包对电池托架产生的惯性力。所以在研究动力电池托架静态受载时，为找出应力

分布和位移变化，选取常见典型的极端工况进行分析。动力电池托架通常在汽车颠簸、

急刹车等极端工况下的受载较为激烈。选用颠簸路面下的急刹车工况进行研究分析，

各载荷参数见表3。

表3载荷情况（g=9.8m/s2）

2.2有限元分析

当汽车行驶时，底部电池托架主要受自身重力作用的影响，其均匀施加在电池托

架与动力电池组接触面上。通过ANSYSWorkbench分析设置工况下的各材料托架

的安全系数与位移，求解结果见表4。由表4可知方案一的结构性能最优，若采用

PP和PA6，三种方案的结构安全系数都不能满足要求，而使用PP+GF30方案一

和方案二都能满足使用要求，因此可以选定材料为PP+GF30，初步优选的结构为方

案一和方案二。

表4三种结构方案

3电池托架结构优化

3.1疲劳寿命分析

疲劳寿命分析的结果如图2所示，动力电池托架的疲劳寿命最低处均是在部分

拐角处，两方案的结构区别在于两侧的支撑板，其寿命均在200万次以上。由于方

案二的质量比方案一小，因此暂定结构为方案二，接下来对部分拐角处进行圆角处理。

3.2结构优化设计

对方案二结构进行优化，对部分连接处进行圆角处理，将底部垫块对称安装，改

进的结构及有限元分析结果见表5。可知改进后的结构最大位移小、结构刚度好，最

小安全系数为1.23，疲劳寿命也满足要求。