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北汽新能源 | 某電動汽車電池包擠壓仿真分析

2020-02-25 14:06:47·  來源：電動學(xué)堂  
　
作者單位：北京新能源汽車股份有限公司文章DOI:1561-0349（2017）04-0033-041 引言隨著能源的緊缺及環(huán)境污染問題的日益加劇，新能源汽車成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域研究的
作者單位：北京新能源汽車股份有限公司
文章DOI:1561-0349（2017）04-0033-04
 
1 引言
隨著能源的緊缺及環(huán)境污染問題的日益加劇，新能源汽車成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域研究的熱點，安全、節(jié)能和環(huán)保，已成為當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展的三大趨勢。和其他交通工具一樣，電動汽車必須綜合考慮各部件的安全性及使用壽命等方面的要求。電池箱作為電池系統(tǒng)的重要部件，是保證系統(tǒng)安全的重要屏障。GBT31467.3-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第三部分：安全性要求與測試方法中，給出了電池系統(tǒng)安全性測試的具體方法。根據(jù)反饋電池包擠壓測試，經(jīng)常會出現(xiàn)箱體失穩(wěn)或嚴(yán)重變形導(dǎo)致的電池模組短路現(xiàn)象，因而引起電池包爆炸起火，是安全性測試中通過率較低的項目。電池系統(tǒng)成本昂貴，如果單純采用試驗方法進行研究，不但增加研發(fā)成本還會延長開發(fā)周期。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算方法的快速發(fā)展，基于有限元理論的CAE分析技術(shù)在動力電池系統(tǒng)安全領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如電池包在極限工況下的靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、振動沖擊分析、疲勞耐久分析、擠壓碰撞分析等。
 
本文針對某純電動汽車電池包進行擠壓仿真分析，對電池箱的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而提高電池包的抗擠壓強度，保證了電池包的安全性。電池包擠壓仿真，可為電池系統(tǒng)的安全設(shè)計提供有益參考。
 
2 電池箱幾何模型
電池包采用CATIA進行三維建模，其模型如圖1所示。電池包長1465mm，寬960mm，高270mm。箱蓋由DC06鋼材沖壓成型，箱體為壓鑄一體成型，材料為ZL104。箱體設(shè)有11個固定點與車體連接。經(jīng)過估算，整個電池箱約重410kg（包括電池、箱體、線束、BMS、接插件等）。
3 有限元模型
為了更好地模擬電池包受擠壓后對電池模組、高低壓器件及BMS的影響，建立有限元模型時將電池模組采用六面體網(wǎng)格劃分，高低壓器件及BMS采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸在(5-10)mm之間。箱體鈑金件進行抽中面處理，對中面中存在的殘缺破面進行修補。對箱體中的倒角、小孔等進行適當(dāng)?shù)膸缀魏喕?，采用四面體單元對箱體模型進行劃分，單元尺寸取8mm，整個模型共劃分523320個單元、280658個節(jié)點。壓頭及擋板設(shè)為剛體，壓頭半徑75mm，長度1000mm，X向、Y向擠壓模型分別如圖2、圖3所示。
4 材料參數(shù)
電池模組、高低壓器件、BMS及SMC箱蓋均采用彈性材料模型，下箱體及模組固定支架等鈑金件，采用彈塑性材料模型。各零部件材料的力學(xué)性能參數(shù)，見表1所示。
5 邊界條件及載荷
將剛性墻的3個平動和3個轉(zhuǎn)動自由度進行約束，壓頭除釋放擠壓方向的平動自由度外，對其余5個自由度進行全部約束。國標(biāo)規(guī)定擠壓力達到200kN或擠壓變形量達到擠壓方向整體尺寸的30%時停止擠壓，并保壓10min。為了能夠快速求解，設(shè)置總的計算時間為0.12s，載荷通過SmoothStep幅值曲線進行施加。擠壓力加載曲線見圖4。
6模擬結(jié)果分析
6.1初始模型擠壓結(jié)果分析
6.1.1初始模型X向擠壓結(jié)果分析
圖5為電池包X向擠壓后的位移云圖，箱體最大位移65.1mm，箱體已經(jīng)和BDU(高壓盒)發(fā)生接觸，有發(fā)生短路的風(fēng)險；圖6為電池包X向擠壓后箱體的應(yīng)力云圖，箱體最大應(yīng)力為185MPa，已接近ZL104的抗拉強度，電池包發(fā)生破壞的風(fēng)險較大。
6.1.2初始模型Y向擠壓結(jié)果分析
由圖1可知，電池包初始模型吊耳設(shè)計成斜面狀，吊耳上寬下窄，直接擠壓箱體下部會導(dǎo)致箱體向上滑動，不能有效擠壓到箱體，因此Y向擠壓時擠壓吊耳的上部位置。圖7為電池包Y向擠壓后的位移云圖，箱體最大位移123.6mm，箱體已經(jīng)和電池模組發(fā)生接觸，擠壓到電池的可能性較大；圖8為電池包Y向擠壓后箱體的應(yīng)力云圖，箱體最大應(yīng)力為194MPa，已接近ZL104的抗拉強度，電池包發(fā)生破壞的風(fēng)險較大。
6.2優(yōu)化模型擠壓結(jié)果分析
電池包箱體優(yōu)化后的模型見圖9所示，電池模組內(nèi)部排布發(fā)生變化但固定點位置及重量不變。箱體吊耳由原來的斜面改成直面，增大箱體與剛性墻的接觸面積，這也有利于提升車輛的碰撞性能。本次仿真時壓頭擠壓吊耳的下部平面位置。
6.2.1優(yōu)化模型X向擠壓結(jié)果分析
優(yōu)化模型X向擠壓后箱體變形較小，最大位移1.8mm，見圖10所示；圖11為電池包X向擠壓后箱體的應(yīng)力云圖，箱體的最大應(yīng)力為136MPa，未超過ZL104的抗拉強度，電池包發(fā)生破壞的風(fēng)險小。
6.2.2優(yōu)化模型Y向擠壓結(jié)果分析
優(yōu)化模型Y向擠壓后箱體變形較小，最大位移14.6mm，見圖12所示；圖13為電池包Y向擠壓后箱體的應(yīng)力云圖，箱體最大應(yīng)力為175MPa，小于ZL104的抗拉強度，電池包發(fā)生破壞的風(fēng)險小。
問題，通過對電池包進行優(yōu)化設(shè)計，降低電池包擠壓實驗通過的風(fēng)險，為電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計提高有益參考。
7 結(jié)論
通過對電池包進行擠壓分析，得到了電池包在擠壓過程中的位移及應(yīng)力分布情況，提前發(fā)現(xiàn)電池包結(jié)構(gòu)強度存在的問題，通過對電池包進行優(yōu)化設(shè)計，降低電池包擠壓實驗通 過的風(fēng)險，為電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計提高有益參考。
 
 
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