車輛研究測試中心  工程分析中心 楊偉良

以一般小型純電動車而言，為了保有適當的續航力，通常會利用車輛底板或後行李箱區域下方，設計一個能夠存放大量電池的承載結構，此結構除了要能承受電池的重量以及車輛經過路面凹凸彈跳、加速及煞停等行駛慣性力之外，萬一發生撞擊時，也要能承受一定的衝擊力，以免承載結構破壞而造成電池破壞。另外，為了儘量降低承載結構重量對續航力的負面影響，如何設計一個又強又輕的電池承載結構，就顯得相當重要了!

圖1為5面皆為平面板件的電池承載結構設計簡例，藉由電腦輔助模擬分析(Computer Aided Engineering)以及一般常用的尺寸優化分析(Size Optimization Analysis)的幫助，可以計算出符合所設定電池重量及行駛慣性力要求的承載結構最小板厚，經重量計算，以此方式設計的承載結構設計簡例重量約為20.8kg。能不能設計得更輕呢?由於平面板件對垂直平板的承載能力甚低，但若將平面板件打上凹折，承載力就提高許多，板件厚度就可以降低，重量也就降低了。圖2為以紙張凹折加勁的示意圖。

圖1平面板件電池承載結構有限元素模型

圖2 紙張凹折加勁示意圖

該如何設計合適有效的凹折呢?設計在哪些部位?凹折的寬度、深度該多少呢?藉由電腦輔助模擬分析(CAE)以及形貌優化分析(Topography Optimization Analysis)的幫助，可以在設定板件厚度及成型加工限制下，計算出符合所設定電池重量及行駛慣性力要求的承載結構凹折設計。圖3即為運用形貌優化分析所計算出的凹折設計。圖4為有凹折承載結構承受電池垂直向3倍慣性力的應力與變形分析結果。圖5則為有凹折承載結構承受前後向高G值衝擊力的動態應力。經重量計算，尺寸優化加上形貌優化的承載結構設計簡例重量已大幅降低，只有9.1kg，約為尺寸優化的44%。
 

圖3形貌優化後之承載結構底部凹折設計

圖4形貌優化後之3倍慣性力分析結果(scale=80)

圖5高G值動態衝擊(scale=3)

電動車電池承載結構常因車型或運行需求，可能在幾何上有所變動，所需關注的結構強度考量上也略有差異，因此，若能結合電腦輔助模擬分析以及選擇適當的結構優化分析方法，充分地運用電腦快速模擬運算的優點來輔助設計，不但能縮短產品研發設計的時間與成本，更能有效地開發出又強又輕的高品質產品。

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