當下，消費者最為關(guān)切的乃是如何購置具備強勁續(xù)航能力且價格合理的電動汽車。輕量化結(jié)構(gòu)是延長續(xù)航里程、降低成本頗為有效的辦法之一，針對新能源汽車電池支架運用3D打印技術(shù)實施輕量化設(shè)計優(yōu)化，其重要性不言而喻。

根據(jù)公安部交通管理局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至 2023 年底，全國新能源汽車保有量達到 2041 萬輛，占汽車總量的 6.07%。僅在 2023 年，就有743 萬輛新能源汽車登記注冊，同比顯著增長 38.76%。

電池支架作為承載并保護動力電池的主要構(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、成本高的嚴峻問題。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，其彈性模量僅為鋼的三分之一，所以在設(shè)計層面存在很大的優(yōu)化空間。

▲3D Systems先進的生成式設(shè)計和拓撲優(yōu)化軟件，工程師可以設(shè)計具有有機幾何形狀的支架、連接器和其他部件。

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

3D打印技術(shù)涉及到運用專門的軟件對三維模型實施切片分層，生成橫截面數(shù)據(jù)，而后將其輸入快速成型設(shè)備。這項技術(shù)采用逐層制造的方法來制造實體部件。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，并實現(xiàn)密集的部件組織。憑借3D打印技術(shù)的上述優(yōu)勢，其在新能源電動汽車電池組支架開發(fā)中的應(yīng)用，對于加快開發(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)院機械與電氣工程學(xué)院的張國慶博士在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，探究了新能源電動汽車電池組系統(tǒng)的性能強化潛能。

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

 材料和方法

l 設(shè)計方法

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)計的施行，電池組支架的輕質(zhì)材料應(yīng)用涵蓋鋁合金、高強度鋼以及復(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。針對于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)計方面。就國內(nèi)純電動汽車而言，輕量化設(shè)計通常涉及降低支架底部的厚度，同時在支架下方融入輕質(zhì)孔洞來達到預(yù)期效果，拓撲優(yōu)化設(shè)計正是基于上述原則。

▲某種電動汽車的電池組系統(tǒng)

l 制造和分析方法

由于此設(shè)計旨在開發(fā)高性能的輕量化電池支架產(chǎn)品，因此在產(chǎn)品開發(fā)階段屬于小批量零件生產(chǎn)的范疇。傳統(tǒng)的制造方法，如機械加工、鑄造和焊接會極大提高成本，主要依靠3D打印來制造這類復(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。

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

l 電動汽車下電池托架的強度分析

為便于分析，將設(shè)計的下支架模型按比例縮小 0.2 倍。采用 Inspire 軟件對下支架進行強度分析。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。考慮到模型按比例縮小，該載荷約為 980 牛頓。固定孔被約束，并選擇“更準確”的計算速度/精度進行單載荷分析，同時將分析單元尺寸設(shè)置為 5 毫米。

▲電動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 軟件開展初始強度分析。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，測定的質(zhì)量值為 0.685 千克，彈性模量為 1.11 MPa，以上各項均滿足設(shè)計強度標準。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 下電池托架的拓撲優(yōu)化設(shè)計分析

為拓展新能源汽車電池托盤下支架的設(shè)計潛力，于開展拓撲優(yōu)化設(shè)計之前，預(yù)先對電池托盤下支架的輕質(zhì)孔進行填充可謂至關(guān)重要。在拓撲優(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)計空間，于圖4 中以紅色凸顯，其余部分視作非設(shè)計空間，于（a）中以灰色展現(xiàn)。為達成最優(yōu)的拓撲優(yōu)化成果，對電池托盤部分實施了形狀控制。鑒于該模型的形狀特性，設(shè)置了對稱 + 單向拉出約束。優(yōu)化目標確立為最大化剛度，質(zhì)量指標為 30% ，優(yōu)化的厚度限制為5毫米。

▲拓撲優(yōu)化參數(shù)設(shè)置：（a）填充模型；（b）負載和約束設(shè)置。

鋁合金電池下托盤支架的拓撲優(yōu)化結(jié)果于如下圖呈現(xiàn)，從中可觀察到托盤在拓撲優(yōu)化后展現(xiàn)出樹枝狀結(jié)構(gòu)，諸多區(qū)域依舊未相連。即便通過調(diào)整平滑結(jié)果滑塊嘗試對這些缺陷予以優(yōu)化，卻發(fā)現(xiàn)毫無成效，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，手動重建亦不可行。正因如此，怎樣在保證新能源電動汽車電池組托盤的可加工性之時，切實化解與拓撲優(yōu)化后模型重建相關(guān)的挑戰(zhàn)，依然是當前新能源電動汽車電池組托盤輕量化設(shè)計的一個阻礙。

▲電池托盤拓撲優(yōu)化結(jié)果：（a）調(diào)整前；（b）調(diào)整后

l 拓撲優(yōu)化部件的重建解決方案

基于對拓撲優(yōu)化后的電池托盤支架結(jié)構(gòu)的進一步分析，托盤支架呈現(xiàn)為樹枝狀形態(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。該方法包括將拓撲優(yōu)化后的模型導(dǎo)出為圖像，并在其他 3D 軟件中運用切割技術(shù)去除枝干，保留主干。這種方法以實現(xiàn)拓撲優(yōu)化模型的可加工性，并在必要時允許重新設(shè)計。

為驗證該方法的有效性及可行性，將導(dǎo)出的圖像和模型同時導(dǎo)入 3D 建模軟件 Rhino 6 中進行劃線和切割。隨后通過布爾運算進行切割，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沖壓制造，而凸耳可以通過銑削或沖壓生產(chǎn)。可以使用焊接將支架和凸耳連接起來，以符合企業(yè)要求并實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

▲拓撲優(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 拓撲優(yōu)化模型的 RecStrength 校準

為便于分析，電池托盤支架的重建模型以 0.2 倍比例縮小。運用 Inspire 軟件對電池托盤支架進行強度分析的拓撲優(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，將計算速度/精度設(shè)置為“更準確”，并選擇工作條件為單載荷條件分析。

▲電動汽車電池拓撲優(yōu)化托盤的負載和約束位置

此外，最大米塞斯等效力矩的測量值達 240.7 MPa，相比未開展拓撲優(yōu)化之時有所提升。不過，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)計要求。歷經(jīng)拓撲優(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 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%。電池托盤底部的拓撲優(yōu)化設(shè)計意在保證強度與安全性能的基礎(chǔ)上降低整體質(zhì)量，同時保證制造成本處于合理范疇，進而在安全和經(jīng)濟考量之間達成平衡。

▲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 拓撲優(yōu)化模型的裝配分析

在裝配過程中，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行裝配。在進行全面檢查裝配沖突后，確認各結(jié)構(gòu)之間不存在沖突。固定支架能通過焊接與電池下托盤支架無縫銜接。另外，電池托盤支架可通過沖壓實現(xiàn)批量生產(chǎn)。這種制造方法不但滿足企業(yè)對可焊性、耐腐蝕性以及抗沖擊性的要求，還契合自動化和大規(guī)模生產(chǎn)的需要。

▲電池組、托盤和支架的裝配效果

 拓撲優(yōu)化模型的3D打印和裝配驗證

l 3D打印部件的數(shù)據(jù)處理

在一定程度上講，于零件加工里運用3D打印技術(shù)能夠顯著地縮減產(chǎn)品開發(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引發(fā)各異數(shù)量的支撐和成型層厚度，這或許會對零件生產(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)域過度添加支撐的需求。

對下圖中a、b 加以觀察，可以發(fā)覺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。雖說在固定孔等部分區(qū)域增添了一些支撐，或許會對表面光潔度產(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，同時開展諸如去除支撐、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)來達成最終的零件模型。

▲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)計零件的尺寸精確性和對齊程度符合規(guī)定要求。

 結(jié)論

(1)拓撲優(yōu)化后的電池托盤支架最大位移為 3.20 毫米，高于拓撲優(yōu)化前的情況。不過，其改善程度未達預(yù)期理想水平。最大米塞斯等效應(yīng)力為 240.7 兆帕，較拓撲優(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)計要求。0.348 千克的質(zhì)量相較拓撲優(yōu)化前降低49.2%。拓撲優(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 49.2%。

(2) 經(jīng)過幾何重構(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，而凸耳能夠通過銑削或者沖壓工藝予以生產(chǎn)。可運用焊接手法將支架與凸耳進行連接，以此滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

(3) 通過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到顯著的渣塊、翹曲、變形或者其他缺陷。在進行組裝時，3D打印的電池包托盤和支架驗證件相互之間展現(xiàn)出緊密對齊的狀態(tài)，組件之間不存在顯著的裝配沖突。

為了增強新能源電動汽車電池包系統(tǒng)的綜合性能，后續(xù)的實驗至關(guān)重要。這類實驗或許涵蓋電池采用高性能冷卻水路的3D打印、電池系統(tǒng)抗沖擊能力的評定以及其他相關(guān)研究。這些舉措旨在為優(yōu)化設(shè)計及量產(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