當(dāng)下，消費(fèi)者最為關(guān)切的乃是如何購(gòu)置具備強(qiáng)勁續(xù)航能力且價(jià)格合理的電動(dòng)汽車。輕量化結(jié)構(gòu)是延長(zhǎng)續(xù)航里程、降低成本頗為有效的辦法之一，針對(duì)新能源汽車電池支架運(yùn)用3D打印技術(shù)實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化，其重要性不言而喻。

根據(jù)公安部交通管理局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至 2023 年底，全國(guó)新能源汽車保有量達(dá)到 2041 萬(wàn)輛，占汽車總量的 6.07%。僅在 2023 年，就有743 萬(wàn)輛新能源汽車登記注冊(cè)，同比顯著增長(zhǎng) 38.76%。

電池支架作為承載并保護(hù)動(dòng)力電池的主要構(gòu)件，具備電池系統(tǒng)支撐、散熱、防撞、防底部接觸等重要功能。它在新能源汽車中屬于最為重要的大型部件，在電池組系統(tǒng)里占據(jù)關(guān)鍵地位。目前，企業(yè)所使用的鋁合金電池支架，存在重量大、成本高的嚴(yán)峻問(wèn)題。再者，這些電池支架需承受重載。然而，鋁合金的疲勞性能僅為鋼的一半，其彈性模量?jī)H為鋼的三分之一，所以在設(shè)計(jì)層面存在很大的優(yōu)化空間。

▲3D Systems先進(jìn)的生成式設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化軟件，工程師可以設(shè)計(jì)具有有機(jī)幾何形狀的支架、連接器和其他部件。

伴隨電池組能量密度的市場(chǎng)需求逐步提升，尤其是在新能源純電動(dòng)汽車的情境下，車輛總質(zhì)量降低 10%，電力消耗就會(huì)降低 5.5%，續(xù)航里程則增加 5.5%，因此我們對(duì)于電池組支架開(kāi)展更多輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化的需求愈發(fā)迫切。

3D打印技術(shù)涉及到運(yùn)用專門的軟件對(duì)三維模型實(shí)施切片分層，生成橫截面數(shù)據(jù)，而后將其輸入快速成型設(shè)備。這項(xiàng)技術(shù)采用逐層制造的方法來(lái)制造實(shí)體部件。鑒于這種增材制造手段，3D打印能夠高效地生產(chǎn)近乎任何幾何形狀的部件。其優(yōu)勢(shì)涵蓋能夠處置單件或小批量生產(chǎn)、適應(yīng)復(fù)雜的幾何構(gòu)造，并實(shí)現(xiàn)密集的部件組織。憑借3D打印技術(shù)的上述優(yōu)勢(shì)，其在新能源電動(dòng)汽車電池組支架開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用，對(duì)于加快開(kāi)發(fā)周期以及降低相關(guān)成本具備極大的潛力。

周口師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院的張國(guó)慶博士在Scientific reports期刊發(fā)表了《Optimization design of battery bracket for new energy vehicles based on 3D printing technology》，在3D打印技術(shù)助力下，探究了新能源電動(dòng)汽車電池組系統(tǒng)的性能強(qiáng)化潛能。

▲論文鏈接:
www.nature.com/articles/s41598-024-64393-x

 材料和方法

l 設(shè)計(jì)方法

電池組支架的輕量化策略主要包含輕質(zhì)材料的應(yīng)用以及輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的施行，電池組支架的輕質(zhì)材料應(yīng)用涵蓋鋁合金、高強(qiáng)度鋼以及復(fù)合材料的采用。在眾多選擇里，鑒于鋁合金材料的輕質(zhì)特質(zhì)，其成為主流之選。針對(duì)于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如碰撞減震、散熱、防水、防塵以及絕緣等方面的要素務(wù)必予以考量，尤其是在下支架設(shè)計(jì)方面。就國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車而言，輕量化設(shè)計(jì)通常涉及降低支架底部的厚度，同時(shí)在支架下方融入輕質(zhì)孔洞來(lái)達(dá)到預(yù)期效果，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)正是基于上述原則。

▲某種電動(dòng)汽車的電池組系統(tǒng)

l 制造和分析方法

由于此設(shè)計(jì)旨在開(kāi)發(fā)高性能的輕量化電池支架產(chǎn)品，因此在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段屬于小批量零件生產(chǎn)的范疇。傳統(tǒng)的制造方法，如機(jī)械加工、鑄造和焊接會(huì)極大提高成本，主要依靠3D打印來(lái)制造這類復(fù)雜零件。為此，使用了聯(lián)泰科技的Lite600工業(yè)高精度3D打印機(jī)。

3D打印的支架、外殼和輕量化電池支架需要先表面處理，進(jìn)行支撐去除，接著用砂紙進(jìn)行粗拋光，最后用拋光布進(jìn)行拋光。表面處理過(guò)程完成后，將完成的電池組系統(tǒng)組件進(jìn)行組裝以驗(yàn)證配合度。

l 電動(dòng)汽車下電池托架的強(qiáng)度分析

為便于分析，將設(shè)計(jì)的下支架模型按比例縮小 0.2 倍。采用 Inspire 軟件對(duì)下支架進(jìn)行強(qiáng)度分析。具體的模擬參數(shù)如下：導(dǎo)入零件后，單位設(shè)置為毫米、千克、牛頓和秒，分析材料為鋁合金Al 6061。由于電池支架上的力主要來(lái)源于電池，并且此模型中電池的重量約為 100 千克，因此確保電池安裝的可靠性十分重要。

因此需要系統(tǒng)且全面地研究電池支架在諸如顛簸道路和急轉(zhuǎn)彎等典型工作條件下的受力情況和變形情況。為了模擬電池支架在顛簸道路條件下的承載能力，在支架底面（Z 軸方向）垂直施加5倍電池重力的表面載荷?？紤]到模型按比例縮小，該載荷約為 980 牛頓。固定孔被約束，并選擇“更準(zhǔn)確”的計(jì)算速度/精度進(jìn)行單載荷分析，同時(shí)將分析單元尺寸設(shè)置為 5 毫米。

▲電動(dòng)汽車電池托盤的裝載和固定位置

基于前期所述的分析參數(shù)設(shè)定，將下電池托盤支架的初始模型導(dǎo)入 Altair Inspire 軟件開(kāi)展初始強(qiáng)度分析。經(jīng)觀察可知，下托盤支架的最大位移為1.62 毫米，依據(jù)位移分布規(guī)律，最大位移出現(xiàn)在電池支架的中心部位。最大米塞斯等效應(yīng)力為 182.90MPa，體現(xiàn)出存在一些不均勻的應(yīng)力分布狀況，最高應(yīng)力主要集中在電池支架向上折疊的凸耳部分。此外，最小安全系數(shù)大于 1.3，測(cè)定的質(zhì)量值為 0.685 千克，彈性模量為 1.11 MPa，以上各項(xiàng)均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。鑒于安全系數(shù)與彈性模量，在質(zhì)量減輕方面依舊存在顯著潛力。

▲電池載體的受力分析結(jié)果：（a）位移云圖；（b）應(yīng)力云圖；（c）安全系數(shù)。

l 下電池托架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)分析

為拓展新能源汽車電池托盤下支架的設(shè)計(jì)潛力，于開(kāi)展拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)之前，預(yù)先對(duì)電池托盤下支架的輕質(zhì)孔進(jìn)行填充可謂至關(guān)重要。在拓?fù)鋬?yōu)化改良前后，為下托盤支架設(shè)定相同的力分析參數(shù)。在 Altair Inspire 軟件里，將電池托盤除固定孔以外的部分指定為設(shè)計(jì)空間，于圖4 中以紅色凸顯，其余部分視作非設(shè)計(jì)空間，于（a）中以灰色展現(xiàn)。為達(dá)成最優(yōu)的拓?fù)鋬?yōu)化成果，對(duì)電池托盤部分實(shí)施了形狀控制。鑒于該模型的形狀特性，設(shè)置了對(duì)稱 + 單向拉出約束。優(yōu)化目標(biāo)確立為最大化剛度，質(zhì)量指標(biāo)為 30% ，優(yōu)化的厚度限制為5毫米。

▲拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)設(shè)置：（a）填充模型；（b）負(fù)載和約束設(shè)置。

鋁合金電池下托盤支架的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果于如下圖呈現(xiàn)，從中可觀察到托盤在拓?fù)鋬?yōu)化后展現(xiàn)出樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，諸多區(qū)域依舊未相連。即便通過(guò)調(diào)整平滑結(jié)果滑塊嘗試對(duì)這些缺陷予以優(yōu)化，卻發(fā)現(xiàn)毫無(wú)成效，以致難以執(zhí)行 PolyNURBS 擬合。再者，鑒于模型本身所固有的復(fù)雜性，手動(dòng)重建亦不可行。正因如此，怎樣在保證新能源電動(dòng)汽車電池組托盤的可加工性之時(shí)，切實(shí)化解與拓?fù)鋬?yōu)化后模型重建相關(guān)的挑戰(zhàn)，依然是當(dāng)前新能源電動(dòng)汽車電池組托盤輕量化設(shè)計(jì)的一個(gè)阻礙。

▲電池托盤拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果：（a）調(diào)整前；（b）調(diào)整后

l 拓?fù)鋬?yōu)化部件的重建解決方案

基于對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后的電池托盤支架結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析，托盤支架呈現(xiàn)為樹(shù)枝狀形態(tài)，枝干相互交織。傳統(tǒng)的逆向重建方法被證明無(wú)法取得理想的重建效果。在此研究基礎(chǔ)上，相應(yīng)地提出了一種基于圖像的逆向重建方法。該方法包括將拓?fù)鋬?yōu)化后的模型導(dǎo)出為圖像，并在其他 3D 軟件中運(yùn)用切割技術(shù)去除枝干，保留主干。這種方法以實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化模型的可加工性，并在必要時(shí)允許重新設(shè)計(jì)。

為驗(yàn)證該方法的有效性及可行性，將導(dǎo)出的圖像和模型同時(shí)導(dǎo)入 3D 建模軟件 Rhino 6 中進(jìn)行劃線和切割。隨后通過(guò)布爾運(yùn)算進(jìn)行切割，由此可以了解到重建的電池支架結(jié)構(gòu)清晰。支架的下部能夠通過(guò)沖壓制造，而凸耳可以通過(guò)銑削或沖壓生產(chǎn)?？梢允褂煤附訉⒅Ъ芎屯苟B接起來(lái)，以符合企業(yè)要求并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

▲拓?fù)鋬?yōu)化模型的重構(gòu)：（a）圖像和模型的導(dǎo)入；（b）切割線的劃分；（c）重構(gòu)效果。

l 拓?fù)鋬?yōu)化模型的 RecStrength 校準(zhǔn)

為便于分析，電池托盤支架的重建模型以 0.2 倍比例縮小。運(yùn)用 Inspire 軟件對(duì)電池托盤支架進(jìn)行強(qiáng)度分析的拓?fù)鋬?yōu)化。具體的模擬參數(shù)包括：在導(dǎo)入部件后將單位設(shè)定為毫米、千克、牛、秒，并選取鋁合金 Al 6061 作為分析材料。作用于電池托盤支架的力主要源自電池，于模型中預(yù)估其重量為100 千克。為確保電池安裝的可靠性，有必要深入探究電池托盤支架在典型工況（如顛簸道路和急轉(zhuǎn)彎）下的受力和變形情形。

為模擬電池托盤支架在顛簸道路條件下的承載狀況，在托盤底面（Z 軸方向）垂直施加相當(dāng)于電池重力 5 倍的面載荷。鑒于模型的縮放系數(shù)為 0.2，該載荷約為 980 牛。載荷于固定孔處受到約束，將計(jì)算速度/精度設(shè)置為“更準(zhǔn)確”，并選擇工作條件為單載荷條件分析。

▲電動(dòng)汽車電池拓?fù)鋬?yōu)化托盤的負(fù)載和約束位置

此外，最大米塞斯等效力矩的測(cè)量值達(dá) 240.7 MPa，相比未開(kāi)展拓?fù)鋬?yōu)化之時(shí)有所提升。不過(guò)，底部的分布更為均勻。將最小安全系數(shù)設(shè)定為 1，符合設(shè)計(jì)要求。歷經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后，支架的質(zhì)量記為 0.348 kg，顯著低于未優(yōu)化前的 0.656 kg，降幅達(dá) 50.8%。需要留意的是，在縮放前，支架的初始質(zhì)量為 85.63 kg，優(yōu)化后減少了 50.8%，這表明支架的質(zhì)量減輕了 42.07 kg。模量的測(cè)量值為 0.75 MPa，相較于未優(yōu)化前下降了 67.6%。電池托盤底部的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)意在保證強(qiáng)度與安全性能的基礎(chǔ)上降低整體質(zhì)量，同時(shí)保證制造成本處于合理范疇，進(jìn)而在安全和經(jīng)濟(jì)考量之間達(dá)成平衡。

▲電池載體的受力分析結(jié)果：（a）位移云圖；（b）應(yīng)力云圖；（c）安全系數(shù)。

l 拓?fù)鋬?yōu)化模型的裝配分析

在裝配過(guò)程中，首先借助 Altair Inspire 軟件將幾何重建模型導(dǎo)出為“.stp 格式”。而后，把重建模型導(dǎo)入 Rhino 6 軟件，在其中用優(yōu)化后的電池托盤支架替換原始模型的下托盤支架進(jìn)行裝配。在進(jìn)行全面檢查裝配沖突后，確認(rèn)各結(jié)構(gòu)之間不存在沖突。固定支架能通過(guò)焊接與電池下托盤支架無(wú)縫銜接。另外，電池托盤支架可通過(guò)沖壓實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。這種制造方法不但滿足企業(yè)對(duì)可焊性、耐腐蝕性以及抗沖擊性的要求，還契合自動(dòng)化和大規(guī)模生產(chǎn)的需要。

▲電池組、托盤和支架的裝配效果

 拓?fù)鋬?yōu)化模型的3D打印和裝配驗(yàn)證

l 3D打印部件的數(shù)據(jù)處理

在一定程度上講，于零件加工里運(yùn)用3D打印技術(shù)能夠顯著地縮減產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并且降低相關(guān)成本。在 3D打印流程中，用于放置零件以及添加支撐的各類方法會(huì)引發(fā)各異數(shù)量的支撐和成型層厚度，這或許會(huì)對(duì)零件生產(chǎn)的質(zhì)量與效率形成直接作用。更為關(guān)鍵的是，電池包系統(tǒng)零件最初被導(dǎo)入至 Materialise Magics 22 軟件之中。具體而言，成型零件與基板間的角度設(shè)定為75°，用于盡可能削減特別是在上托盤、下支架和下托盤支架的內(nèi)部等重要區(qū)域過(guò)度添加支撐的需求。

對(duì)下圖中a、b 加以觀察，可以發(fā)覺(jué)3D打印完畢后電池包托盤和支架組件的表面光亮，而且粗糙度較低。確切而言，表面未呈現(xiàn)顯著的懸垂熔渣。此外，不存在明顯的翹曲或變形缺陷。雖說(shuō)在固定孔等部分區(qū)域增添了一些支撐，或許會(huì)對(duì)表面光潔度產(chǎn)生一定輕微影響。但仍處于可接納范圍內(nèi)。其后，把成品零件自基板上拆卸下來(lái)，同時(shí)開(kāi)展諸如去除支撐、拋光、打磨、去除表面毛刺以及用酒精清潔等后續(xù)處理任務(wù)來(lái)達(dá)成最終的零件模型。

▲3D打印電池包裝分析：（a）上托盤；（b）下托盤；（c）下托盤支架；（d）整體組裝效果。

如圖中c、d 所呈現(xiàn)的組裝完成的 3D 打印電池包托盤和支架明確顯示，上述兩部分彼此緊密貼合，這兩部分之間不存在顯著的裝配矛盾。該觀察結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)零件的尺寸精確性和對(duì)齊程度符合規(guī)定要求。

 結(jié)論

(1)拓?fù)鋬?yōu)化后的電池托盤支架最大位移為 3.20 毫米，高于拓?fù)鋬?yōu)化前的情況。不過(guò)，其改善程度未達(dá)預(yù)期理想水平。最大米塞斯等效應(yīng)力為 240.7 兆帕，較拓?fù)鋬?yōu)化前有所升高，然而該應(yīng)力在底部的分布更為均勻。最小安全系數(shù)1 滿足設(shè)計(jì)要求。0.348 千克的質(zhì)量相較拓?fù)鋬?yōu)化前降低49.2%。拓?fù)鋬?yōu)化后的電池支架最大位移同樣為 3.20 毫米，低于優(yōu)化前，降幅達(dá) 49.2%。

(2) 經(jīng)過(guò)幾何重構(gòu)的電池支架結(jié)構(gòu)明晰。支架下部能夠借助沖壓方式制造，而凸耳能夠通過(guò)銑削或者沖壓工藝予以生產(chǎn)?？蛇\(yùn)用焊接手法將支架與凸耳進(jìn)行連接，以此滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

(3) 通過(guò)3D打印的電池包托盤和支架部件能夠形成具備超低粗糙度的光亮表面。換而言之，在打印表面未能觀測(cè)到顯著的渣塊、翹曲、變形或者其他缺陷。在進(jìn)行組裝時(shí)，3D打印的電池包托盤和支架驗(yàn)證件相互之間展現(xiàn)出緊密對(duì)齊的狀態(tài)，組件之間不存在顯著的裝配沖突。

為了增強(qiáng)新能源電動(dòng)汽車電池包系統(tǒng)的綜合性能，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。這類實(shí)驗(yàn)或許涵蓋電池采用高性能冷卻水路的3D打印、電池系統(tǒng)抗沖擊能力的評(píng)定以及其他相關(guān)研究。這些舉措旨在為優(yōu)化設(shè)計(jì)及量產(chǎn)高性能輕量化的電池包系統(tǒng)筑牢根基。

文章轉(zhuǎn)載自：3D科學(xué)谷