當下，消費者最為關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。輕量化結構是延長續(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打印技術實施輕量化設計優(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，所以在設計層面存在很大的優(yōu)化空間。

▲3D Systems先進的生成式設計和拓撲優(yōu)化軟件，工程師可以設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計優(yōu)化的需求愈發(fā)迫切。

3D打印技術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備。這項技術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)、適應復雜的幾何構造，并實現(xiàn)密集的部件組織。憑借3D打印技術的上述優(yōu)勢，其在新能源電動汽車電池組支架開發(fā)中的應用，對于加快開發(fā)周期以及降低相關成本具備極大的潛力。

周口師范學院機械與電氣工程學院的張國慶博士在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 設計方法

電池組支架的輕量化策略主要包含輕質材料的應用以及輕量化結構設計的施行，電池組支架的輕質材料應用涵蓋鋁合金、高強度鋼以及復合材料的采用。在眾多選擇里，鑒于鋁合金材料的輕質特質，其成為主流之選。針對于輕量化結構設計，例如碰撞減震、散熱、防水、防塵以及絕緣等方面的要素務必予以考量，尤其是在下支架設計方面。就國內(nèi)純電動汽車而言，輕量化設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孔洞來達到預期效果，拓撲優(yōu)化設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：導入零件后，單位設置為毫米、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)設定，將下電池托盤支架的初始模型導入 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。最大米塞斯等效應力為 182.90MPa，體現(xiàn)出存在一些不均勻的應力分布狀況，最高應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，測定的質量值為 0.685 千克，彈性模量為 1.11 MPa，以上各項均滿足設計強度標準。鑒于安全系數(shù)與彈性模量，在質量減輕方面依舊存在顯著潛力。

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

l 下電池托架的拓撲優(yōu)化設計分析

為拓展新能源汽車電池托盤下支架的設計潛力，于開展拓撲優(yōu)化設計之前，預先對電池托盤下支架的輕質孔進行填充可謂至關重要。在拓撲優(yōu)化改良前后，為下托盤支架設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計空間，于圖4 中以紅色凸顯，其余部分視作非設計空間，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，設置了對稱 + 單向拉出約束。優(yōu)化目標確立為最大化剛度，質量指標為 30% ，優(yōu)化的厚度限制為5毫米。

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

鋁合金電池下托盤支架的拓撲優(yōu)化結果于如下圖呈現(xiàn)，從中可觀察到托盤在拓撲優(yōu)化后展現(xiàn)出樹枝狀結構，諸多區(qū)域依舊未相連。即便通過調(diào)整平滑結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計的一個阻礙。

▲電池托盤拓撲優(yōu)化結果：（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構的進一步分析，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。在此研究基礎上，相應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)化后的模型導出為圖像，并在其他 3D 軟件中運用切割技術去除枝干，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計。

為驗證該方法的有效性及可行性，將導出的圖像和模型同時導入 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構清晰。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)?？梢允褂煤附訉⒅Ъ芎屯苟B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：（a）圖像和模型的導入；（b）切割線的劃分；（c）重構效果。

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：在導入部件后將單位設定為毫米、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)設定為 1，符合設計要求。歷經(jīng)拓撲優(yōu)化后，支架的質量記為 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，支架的初始質量為 85.63 kg，優(yōu)化后減少了 50.8%，這表明支架的質量減輕了 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)化設計意在保證強度與安全性能的基礎上降低整體質量，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果：（a）位移云圖；（b）應力云圖；（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出為“.stp 格式”。而后，把重建模型導入 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，確認各結構之間不存在沖突。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打印技術能夠顯著地縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，并且降低相關成本。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)的質量與效率形成直接作用。更為關鍵的是，電池包系統(tǒng)零件最初被導入至 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。該觀察結果表明，所設計零件的尺寸精確性和對齊程度符合規(guī)定要求。

 結論

(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，其改善程度未達預期理想水平。最大米塞斯等效應力為 240.7 兆帕，較拓撲優(yōu)化前有所升高，然而該應力在底部的分布更為均勻。最小安全系數(shù)1 滿足設計要求。0.348 千克的質量相較拓撲優(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)過幾何重構的電池支架結構明晰。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研究。這些舉措旨在為優(yōu)化設計及量產(chǎn)高性能輕量化的電池包系統(tǒng)筑牢根基。

文章轉載自：3D科學谷