纯电动乘用车底盘电池托盘轻量化设计与性能分析

一、引言

（一）研究背景

纯电动乘用车续航里程与轻量化水平密切相关，研究表明，车身重量每降低10%，续航里程可提升5%-8%。电池托盘作为动力电池的直接承载结构，需同时满足承重（通常为300-600kg）、防护（IP67级防水防尘）及耐冲击等要求，传统设计多采用Q235低碳钢，存在重量过大（单托盘重量约80-120kg）的问题。因此，在保证结构性能的前提下实现电池托盘轻量化，成为提升纯电动乘用车综合性能的关键途径。

（二）研究现状

当前电池托盘轻量化技术主要分为三类：一是材料替代，如采用铝合金（比强度约160MPa·kg⁻¹/m³）替代钢材，可减重30%-40%，但成本增加50%以上；二是结构优化，通过拓扑优化、尺寸优化等方法减少冗余材料，某案例中采用镂空结构使托盘减重15%，但刚度下降8%；三是工艺创新，如激光焊接替代传统弧焊，减少接头重量5%-10%。现有技术在轻量化与成本、性能的平衡上仍需突破，亟需提出兼顾经济性与可靠性的设计方案。

（三）研究内容

本文以某款纯电动乘用车电池托盘（原材质Q235钢，重量98kg）为研究对象，开展以下工作：建立托盘有限元模型并进行性能验证；采用HSLA 700高强度钢（屈服强度700MPa）进行材料替代；结合拓扑优化对托盘横梁、纵梁结构进行重构；通过仿真与试验验证优化方案的有效性。

二、电池托盘结构与性能要求

（一）原结构分析

原电池托盘为框架式结构，主要由：

边框：截面尺寸100mm×50mm的矩形钢管，形成外围承载框架；

横梁：8根间距300mm的横向支撑梁，截面尺寸80mm×40mm；

纵梁：4根纵向连接梁，截面尺寸60mm×30mm；

底板：2mm厚钢板，用于固定电池模组。

整体尺寸为2200mm×1400mm×150mm，通过16个螺栓与底盘连接，设计寿命15万公里。

（二）性能指标要求

根据企业标准与国家标准（GB/T 31467.3-2015），电池托盘需满足：

强度：在满载（600kg）、紧急制动（加速度3g）工况下，最大应力≤材料屈服强度的80%；

刚度：满载静态工况下，最大挠度≤1.5mm；

模态：一阶固有频率≥30Hz，避免与底盘振动（20-25Hz）共振；

耐冲击：侧面碰撞（冲击力50kN）时，变形量≤50mm，无结构断裂。

三、有限元模型建立与验证

（一）模型构建

采用HyperMesh建立有限元模型：

单元类型：壳单元（厚度2-5mm），单元尺寸10mm×10mm；

材料属性：Q235钢（弹性模量210GPa，泊松比0.3，密度7.85g/cm³，屈服强度235MPa）；

约束条件：托盘与底盘连接点全固定；

载荷施加：满载600kg（均布载荷）、制动工况（X向3g加速度）、扭转工况（绕Y轴0.5°转角）。

（二）仿真结果验证

原结构仿真结果显示：

静态满载最大应力142MPa（位于横梁与边框连接处），小于Q235屈服强度（235MPa），强度满足；

最大挠度1.2mm，符合刚度要求；

一阶固有频率28Hz，略低于30Hz的目标值；

侧面冲击最大变形42mm，无断裂，满足耐冲击要求。

通过与物理试验（应力测试误差≤5%）对比，模型精度可靠，可用于后续优化分析。

四、轻量化设计方案

（一）材料替代

选用HSLA 700高强度钢替代Q235钢，其性能参数为：弹性模量205GPa，泊松比0.3，密度7.8g/cm³，屈服强度700MPa。在保证强度的前提下，可将钢板厚度从2mm减至1.5mm，初步实现减重15%。

（二）拓扑优化

以“体积最小化”为目标，约束最大应力≤560MPa（HSLA 700屈服强度的80%）、最大挠度≤1.5mm，采用OptiStruct进行拓扑优化：

横梁优化：保留7根横梁，将中间3根截面改为“工”字形（高度80mm，翼缘厚度5mm，腹板厚度3mm），减少材料冗余；

纵梁优化：采用变截面设计，两端（连接部位）截面尺寸60mm×40mm，中间减至60mm×30mm；

底板优化：在非固定区域开设直径30mm的减重孔（间距100mm），保留边缘200mm宽的加强区域。

（三）优化后结构参数

优化后电池托盘重量降至75kg，具体参数：

边框：截面尺寸100mm×45mm，厚度3mm；

横梁：7根，其中4根为矩形截面（80mm×35mm），3根为工字形截面；

底板：厚度1.5mm，含28个减重孔；

总重量：75kg（较原结构减重23.6%）。

五、性能分析与验证

（一）仿真分析

优化后结构仿真结果：

强度：制动工况最大应力492MPa（位于边框拐角处），小于560MPa，强度裕度12%；

刚度：满载最大挠度1.1mm，优于原结构（1.2mm）；

模态：一阶固有频率30.4Hz，满足≥30Hz的要求，较原结构提升8.5%；

耐冲击：侧面冲击最大变形38mm，无断裂，防护性能提升

（二）物理试验验证

制作优化后托盘样件进行试验：

静态加载试验：施加600kg载荷，最大挠度1.08mm，与仿真值（1.1mm）误差1.8%；

振动试验：在20-50Hz频段扫频，30.4Hz处无共振现象；

盐雾试验：500小时盐雾环境后，连接部位无明显锈蚀，满足耐腐蚀要求。

（三）经济性分析

HSLA 700钢成本较Q235高30%，但通过结构优化减少材料用量18%，综合成本仅增加8%，远低于铝合金方案（成本增加50%），具有较高的工程应用价值。

六、结论与展望

本文通过材料替代与拓扑优化相结合的方法，实现了纯电动乘用车电池托盘的轻量化设计，重量减轻23.6%，同时提升了模态性能与耐冲击性，成本增加控制在8%以内，兼顾了轻量化、性能与经济性。

未来研究可从三方面深化：一是引入碳纤维复合材料（比强度300MPa·kg⁻¹/m³）进一步减重，探索低成本成型工艺；二是结合拓扑优化与参数化设计，实现多工况下的自适应优化；三是开展整车集成测试，验证轻量化托盘对续航里程与操控性的实际影响。

参考文献

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[3] 机械工程学报. 基于拓扑优化的电动汽车关键部件轻量化设计[J]. 2021， 57（12）：98-105.