電池包作為新能源汽車的核心元件,其結(jié)構(gòu)安全性的保證是新能源汽車在運(yùn)行過程中必不可少的。本文對(duì)某型號(hào)電池包進(jìn)行了擠壓分析計(jì)算,分析過程中考慮到電池包裝配模型的復(fù)雜性及 Abaqus/Explicit 模塊中單元類型的局限性,采用 C3D8R 單元模擬焊點(diǎn),避免了剛性單元模擬焊點(diǎn)時(shí)局部剛度過大以及嚴(yán)重依賴網(wǎng)格的弊端。

關(guān)鍵詞: 電池包, 擠壓分析, 焊點(diǎn), 顯式有限元法

1 前言

在高油價(jià)和低排放的雙重背景下,發(fā)展新能源成為了低碳環(huán)保節(jié)能減排的必然選擇,新能源汽車也得到了越來越多的關(guān)注。發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為世界各國的共識(shí),中國為實(shí)現(xiàn)“到 2020 年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值 CO2 排放比 2005 年下降 40%~ 5%"”的目標(biāo)和汽車產(chǎn)業(yè) “彎道超車”的歷史使命,將其列入七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之中。

蓄電池作為混動(dòng)和純電動(dòng)車的動(dòng)力來源之一,在整車上承擔(dān)著重要的作用。而電池包殼體則起著保證電池組安全和正常工作的關(guān)鍵作用。為保證電池包系統(tǒng)的正常工作,GB/T中對(duì)電池包的擠壓性能提出了要求。本分析的目的就是通過計(jì)算機(jī)仿真的方法檢驗(yàn)電池包是否可以滿足國標(biāo)對(duì)電池包擠壓性能的要求。在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)早期,對(duì)電池包的抗擠壓特性進(jìn)行合理的評(píng)估和改進(jìn)可以減少設(shè)計(jì)周期,降低風(fēng)險(xiǎn),保證電池包能滿足安全性能的要求,同時(shí)保證零件的局部強(qiáng)度性能。

由于電池包里零部件眾多,普遍采用的是點(diǎn)焊技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接。焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的特殊性對(duì)電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度均有很大的影響。

目前,主要的焊點(diǎn)處理方式有以下幾種：

1) 剛性連接法:該方法是在兩個(gè)零部件連接部位建立剛性連接單元,可以采用六自由度或三自由度 (只約束平動(dòng)) 的連接方式,使兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在被約束自由度上有相同的位移,這種連接方式會(huì)導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)剛度偏大,局部連接區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2)公共節(jié)點(diǎn)法:該方法是將不同零部件上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)合并,相鄰零部件在點(diǎn)焊處采用同一節(jié)點(diǎn),這種連接方式對(duì)模型要求較高,對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置相差不能太遠(yuǎn),單元網(wǎng)格的質(zhì)量要求比較高,且無法模擬焊點(diǎn)斷裂的情況。

3)公共單元法:該方法是在點(diǎn)焊連接處建立三維單元來模擬焊點(diǎn),并把該單元與相鄰零部件 Tie 在一起。這種方法處理起來工作量比較大,但是精度較高,力和力矩通過實(shí)體單元來進(jìn)行傳遞,更加符合實(shí)際工況。

2 電池包擠壓計(jì)算模型

電池包的擠壓是采用半圓柱體對(duì)電池包外殼從 X 方向?qū)嵤D壓,擠壓距離控制在電池包該方向長(zhǎng)度的 30%,電池包的有限元模型如圖 1 所示。

圖1 有限元模型圖

2.1 邊界條件

X 方向的擠壓模型如圖 2 所示,電池包放置于支撐板和擠壓板之間,以較小的速度來進(jìn)行擠壓,用準(zhǔn)靜態(tài)來模擬靜態(tài)受力。考慮到電池包前擠壓面與后擠壓面之間存在一個(gè)高度差,在擠壓過程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩,導(dǎo)致電池包在擠壓過程中翻轉(zhuǎn),并且隨著電池包的翻轉(zhuǎn),高度差會(huì)增加,從而產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。因此,需要在電池包翻轉(zhuǎn)初期對(duì)其進(jìn)行控制, 限制住電池包在擠壓過程中不符合實(shí)際的移動(dòng)變形。

圖2 電池包 X 方向擠壓模型

依據(jù) ZMP (zero moment point) 理論,電池包所受到的合力 (外力、慣性力、重力) 的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)稱為 ZMP,當(dāng)ZMP 位置位于電池包與支撐板接觸范圍內(nèi)時(shí),電池包將不會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。為了盡可能小的約束模型,同時(shí)達(dá)到抑制電池包在擠壓中翻轉(zhuǎn)的問題,采用剛度較小的 SPRINGA單元連接電池包前端位置,如圖 3 所示。