0前言 有限元仿真技術(shù)可以對(duì)電池PACK結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供可靠的分析方法和理論依據(jù),再設(shè)計(jì)初期就提出可能存在的缺陷及優(yōu)化方向,從而提高了動(dòng)力電池產(chǎn)品的開發(fā)效率以及安全系數(shù) ? 目前對(duì)于電池包擠壓性能的研究,國(guó)內(nèi)一些學(xué)者展開了一些探索性的研究 ? 在對(duì)某電動(dòng)汽
0前言
有限元仿真技術(shù)可以對(duì)電池PACK結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供可靠的分析方法和理論依據(jù),再設(shè)計(jì)初期就提出可能存在的缺陷及優(yōu)化方向,從而提高了動(dòng)力電池產(chǎn)品的開發(fā)效率以及安全系數(shù) ?目前對(duì)于電池包擠壓性能的研究,國(guó)內(nèi)一些學(xué)者展開了一些探索性的研究 ? 在對(duì)某電動(dòng)汽車電池包擠壓仿真分析,對(duì)電池包的擠壓方法,仿真的方式進(jìn)行了部分研究,對(duì)電池包的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真,并沒有涉及到動(dòng)力電池包在擠壓過程中發(fā)生塑性大變形及材料斷裂等情況 ?因此本文主要針對(duì)動(dòng)力電池包的擠壓過程中發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓變形的情況進(jìn)行了有限元仿真的研究,并且進(jìn)行了有限元仿真的試驗(yàn)對(duì)標(biāo),提高動(dòng)力電池包仿真分析的準(zhǔn)確性和適用范圍 ?本文所研究的電池包PACK結(jié)構(gòu)主要是由上蓋板,下箱體 ? 模組 ? 水冷系統(tǒng) ? 電器聯(lián)接部件及電池管理系統(tǒng)等組成 ? 上蓋板為SMC復(fù)合材料,下殼體采用6061高強(qiáng)鋁型材拼焊,模組安裝在下殼體上,整個(gè)動(dòng)力電池包總重量約355kg,幾何模型如圖1所示 ?電池模組采用彈性材料模型,下箱體及內(nèi)部固定支架等金屬部件均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 ? 各金屬部件的材料數(shù)據(jù)均由實(shí)際樣件測(cè)試獲得,模組材料性能由模態(tài)對(duì)標(biāo)等效法獲得 ?由于動(dòng)力電池包擠壓試驗(yàn)過程中,殼體會(huì)大量開裂,然而在處理模型發(fā)生塑性大變形及材料斷裂問題時(shí),經(jīng)典的試驗(yàn)與分析方法會(huì)失效,但是有限元方法能夠成功解決這類問題,所以本文主要采用了Abaqus軟件里提供的累計(jì)損傷與失效材料準(zhǔn)則的有限元法來仿真動(dòng)力電池包的擠壓試驗(yàn) ?(1)在高應(yīng)變速率下變形時(shí),有shear failure和tensile failure;；(2)對(duì)于斷裂延性金屈:可以選用韌性準(zhǔn)則(ductile criteria)和剪切準(zhǔn)則(shear criteria)；(3)對(duì)于縮頸不穩(wěn)定性可以使用(飯金)FLD ? FLSD ? M-K以及MSFLD；(4)對(duì)于鋁合金 ? 鎂合金以及高強(qiáng)鋼在變形過程中會(huì)出現(xiàn)不同機(jī)制的斷裂,可能會(huì)將以上準(zhǔn)則聯(lián)合起來進(jìn)行使用 ? 本文內(nèi)所采用的是韌性斷裂準(zhǔn)則(DUCTLLE,即帶有應(yīng)力三軸度的斷裂準(zhǔn)則),由于動(dòng)力電池包擠壓過程中,擠壓柱移動(dòng)較緩慢,所以本文的仿真分析采用的是準(zhǔn)靜態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真,暫不考慮應(yīng)變率的影響 ?在GB/T31467.3-2015標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)提出的各項(xiàng)安全性能測(cè)試中,動(dòng)力電池產(chǎn)品的擠壓測(cè)試是通過率較低的項(xiàng)目 ? 通常擠壓測(cè)試要求以半徑為75mm的半圓柱體沿X和Y方向擠壓產(chǎn)品,當(dāng)擠壓力達(dá)到100KN或擠壓變形量大于擠壓方向整體尺寸的30%時(shí)停止擠壓,保待10min后觀察lh,要求產(chǎn)品在發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓變形的情況時(shí)無起火和爆炸現(xiàn)象 ?由于擠壓過程中,擠壓柱移動(dòng)速度較慢,所以本文內(nèi)采用Abaqus軟件準(zhǔn)靜態(tài)分析的顯示求解方法,通過設(shè)置的適當(dāng)?shù)腗ass Scale系數(shù)(質(zhì)量縮放法)來調(diào)節(jié)仿真計(jì)算時(shí)長(zhǎng)與仿真計(jì)算精度間的平衡 ?仿真模型如圖3 ? 圖4所示,約束剛性墻6個(gè)自由度,擠壓柱釋放擠壓方向的自由度(約束其余5個(gè)自由度),擠壓速度4m/s,擠壓距離至電池包邊梁斷裂 ?初始模型X向擠壓結(jié)果如圖5所示,擠壓力能達(dá)到的最大峰值為87kN,達(dá)不到GB/T31467.3-2015要求的100KN,不滿足要求 ? 圖6為X向擠壓力達(dá)到峰值時(shí)的截面開裂變形云圖 ?初始模型Y向擠壓結(jié)果如圖7所示,擠壓力能達(dá)到的最大峰值為145kN,滿足GB/T31467.3-20I5要求的100kN,但從圖8中可以發(fā)現(xiàn),箱體變形位置與模組件的間隙較小,設(shè)計(jì)余量不足 ? 圖8為Y向擠壓力達(dá)到峰值時(shí)的截面變形云圖 ?通過擠壓仿真結(jié)果,發(fā)現(xiàn)箱體擠壓開裂主要底板與邊梁過度區(qū)域 ? 因此特地針對(duì)該區(qū)域各個(gè)加強(qiáng)筋用Tosca進(jìn)行Topo優(yōu)化分析,然后結(jié)合工程工藝要求,優(yōu)化了各加強(qiáng)筋的布置及厚度,并對(duì)結(jié)構(gòu)過強(qiáng)區(qū)域進(jìn)行減重,方案對(duì)比見圖9 ?優(yōu)化模型X向擠壓結(jié)果如圖10所示,擠壓力能達(dá)到的最大峰值為135kN,滿足GB/T31467.3-2015要求的100kN ? 圖II為X向擠壓力達(dá)到100kN時(shí)的截面變形云圖 ?優(yōu)化模型Y向擠壓結(jié)果如圖12所示,擠壓力能達(dá)到的最大峰值為125kN,滿足GB/T31467.3-2015要求的100kN ? 圖13為X向擠壓力達(dá)到100kN時(shí)的截面變形云圖 ?為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性,按GB/T31467.3-2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行擠壓測(cè)試 ? 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖14所示,從試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)結(jié)果可以看出,X向與Y向擠壓試驗(yàn)完成后,動(dòng)力電池PACK均發(fā)生了不同程度的開裂,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性比較好,基本可以驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性 ? 試驗(yàn)結(jié)果見圖15 ?(1)對(duì)于動(dòng)力電池包擠壓工況,采用Abaqus仿真軟件的塑性金屬材料的累積損傷與失效模型能更為準(zhǔn)確的仿真真實(shí)的試驗(yàn)過程,具有較高的參考價(jià)值 ?(2)在動(dòng)力電池包的開發(fā)設(shè)計(jì)初期,利用上述有限元仿真手段對(duì)動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)估,能夠有效降低產(chǎn)品研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn),縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間 ?文章來源：廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院
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