動(dòng)力電池包的擠壓分析研究及應(yīng)用*

劉靜，李罡，魏丹，熊飛，曾維權(quán)

動(dòng)力電池包的擠壓分析研究及應(yīng)用*

劉靜，李罡，魏丹，熊飛，曾維權(quán)

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

文章基于顯式動(dòng)力學(xué)理論深入的展開了電池包擠壓分析方法研究，并通過仿真分析試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，建立了合理準(zhǔn)確的有限元分析模型；通過擠壓仿真分析結(jié)果對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果良好的一致性，降低了某車型電池包擠壓試驗(yàn)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，通過文章研究建立了合理準(zhǔn)確的電池包抗擠壓性能分析方法，提高了電池包的自主研發(fā)能力。

動(dòng)力電池包；擠壓分析；顯示動(dòng)力學(xué)；試驗(yàn)應(yīng)用

前言

動(dòng)力電池包是新能源汽車的核心部件，它集電、熱、機(jī)械等于一體。在車輛使用過程中，一方面，動(dòng)力電池經(jīng)常處于高壓高電工作狀態(tài)下，另一方面由于車輛使用所處環(huán)境多變，因此可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)力電池的安全性來說就尤為重要。動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)不僅需要滿足整車耐久使用要求，特別重要的是還需要滿足國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本文中針對(duì)動(dòng)力電池包在GB/T31467.3-2015[1]中較難通過的擠壓測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行了仿真分析及試驗(yàn)應(yīng)用研究。

1 基于顯示動(dòng)態(tài)分析的電池包擠壓仿真分析模型的建立

1.1 GB/T擠壓試驗(yàn)概述

在GB/T31467.3-2015標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了電池包擠壓試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)，該檢測(cè)項(xiàng)采用半徑75mm的半圓柱體對(duì)動(dòng)力電池包的水平X與Y向進(jìn)行擠壓，當(dāng)擠壓力達(dá)到200kN或擠壓變形量達(dá)到擠壓方向的整體尺寸的30%時(shí)停止擠壓。若電池包未發(fā)生起火爆炸現(xiàn)象則試驗(yàn)通過。

1.2 擠壓仿真分析精細(xì)化模型的建立

擠壓仿真分析有限元建模，除了對(duì)電池包的精細(xì)建模技術(shù)以外，還針對(duì)試驗(yàn)設(shè)備擠壓柱、擠壓臺(tái)面和墻面進(jìn)行了合理建模。如圖1所示；動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)主要包括上下殼體、模組、電器件、水冷系統(tǒng)等；電池包網(wǎng)格大小為1mm，擠壓設(shè)備網(wǎng)格大小為10mm，同時(shí)對(duì)電池包模組及電器件進(jìn)行配重，與實(shí)際設(shè)計(jì)相符。

圖1 擠壓仿真分析精細(xì)化模型

1.3 擠壓仿真材料參數(shù)的確定

材料參數(shù)輸入各子結(jié)構(gòu)件的彈性模量()、泊松比、密度(/3)，根據(jù)材料型號(hào)輸入材料應(yīng)力應(yīng)變曲線。本文采用Abaqus軟件中的累計(jì)損傷與失效材料準(zhǔn)則的有限元法來建立擠壓仿真精細(xì)化模型[3]。

1.4 模型接觸的確定

在電池和擠壓剛性臺(tái)面和墻面間定義接觸，經(jīng)試驗(yàn)與仿真標(biāo)定，不同設(shè)備對(duì)應(yīng)的接觸摩擦系數(shù)設(shè)定值不同。不同擠壓狀態(tài)也直接影響了摩擦系數(shù)的定義。同時(shí)，整個(gè)仿真分析精細(xì)化模型需要設(shè)定全自動(dòng)接觸，保證與實(shí)際試驗(yàn)過程一致。

1.5 邊界條件及載荷的確定

約束模型中剛性墻體的六向自由度，約束擠壓柱的13456五向自由度，釋放擠壓柱的平動(dòng)自由度[2]；采用0.1s的計(jì)算時(shí)間步，對(duì)擠壓柱施加平動(dòng)方向的速度載荷3m/s，使擠壓柱勻速擠壓電池包；通過設(shè)置合理的Mass 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[3]，本文模型中的Mass Scale系數(shù)?t=5e-7。

2 電池?cái)D壓仿真分析關(guān)鍵技術(shù)研究

在擠壓仿真技術(shù)初步開展到技術(shù)成熟過程中，主要從以下幾個(gè)方面對(duì)該項(xiàng)仿真技術(shù)進(jìn)行了提高。

2.1 擠壓仿真模型中質(zhì)量縮放系數(shù)（MASS SCALING）的設(shè)置及其合理性判斷

圖2 擠壓仿真過程動(dòng)能與內(nèi)能輸出曲線

通過設(shè)定合理擠壓仿真精細(xì)化模型中的質(zhì)量縮放系數(shù)，保障擠壓仿真過程處于穩(wěn)定的能量分布狀態(tài)，提高分析結(jié)果可靠性；在工程應(yīng)用仿真中，通過準(zhǔn)靜態(tài)仿真模擬動(dòng)態(tài)仿真過程，為提高計(jì)算效率，同時(shí)保證計(jì)算精度，需要設(shè)置合理的質(zhì)量縮放系數(shù)，使各擠壓時(shí)刻動(dòng)能都不能超出內(nèi)能的5%，輸出動(dòng)能、內(nèi)能等隨時(shí)間變化的曲線，如圖2所示，通過該曲線可直觀判斷該擠壓仿真過程輸出的變形結(jié)果是否可靠。

2.2 擠壓仿真分析中摩擦系數(shù)的設(shè)定

試驗(yàn)設(shè)備不同，電池結(jié)構(gòu)不同對(duì)擠壓試驗(yàn)過程影響較大，擠壓設(shè)備平面與電池包接觸區(qū)域的不同，仿真精細(xì)化模型中定義的摩擦系數(shù)也相應(yīng)不同；如鋼板平面擠壓試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示，某鋼板帶滾珠平面擠壓試驗(yàn)設(shè)備如圖4所示；依據(jù)設(shè)備與電池包的接觸面不同，經(jīng)過多輪仿真與試驗(yàn)標(biāo)定，標(biāo)定合理的摩擦系數(shù)，提升仿真模型的精度。

圖3 某鋼板平面擠壓試驗(yàn)設(shè)備

2.3 擠壓位置的選擇

通過仿真分析，預(yù)先判定擠壓位置對(duì)結(jié)果造成的影響，如圖5圖6做了擠壓位置不同的不同擠壓結(jié)果對(duì)比，為了使擠壓過程中電池包結(jié)構(gòu)變形不觸碰到模組結(jié)構(gòu)，因此通過仿真可判斷擠壓位置應(yīng)采用圖5所示位置，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，其變形結(jié)果與仿真一致，如圖7所示；位置的選擇直接決定了電池包擠壓試驗(yàn)的成敗。

圖5 擠壓某電池包第二根橫梁

圖6 擠壓某電池包第一根橫梁

圖7 擠壓某電池包第二根橫梁試驗(yàn)結(jié)果

2.4 擠壓試驗(yàn)工裝輔助設(shè)計(jì)

在擠壓試驗(yàn)過程中，擠壓變形過程判斷是否提前設(shè)計(jì)工裝墊塊，保證試驗(yàn)正常通過。電池包發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)計(jì)防旋轉(zhuǎn)工裝后，電池包無(wú)旋轉(zhuǎn)，可順利完成試驗(yàn)。分別如圖8圖9圖10所示。

圖8 無(wú)墊塊時(shí)擠壓仿真

圖9 帶墊塊時(shí)，擠壓仿真

圖10 帶墊塊擠壓試驗(yàn)示意

3 電池包擠壓仿真分析與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

3.1 某電池包擠壓仿真變形與擠壓試驗(yàn)后變形一致

圖11 某電池包仿真分析變形結(jié)果云圖

圖12 某電池包擠壓試驗(yàn)

某項(xiàng)目電池在整車X向擠壓時(shí)，因能夠承受更大載荷的電池中間位置，放置了易燃易爆的高壓電器盒，擠壓位置定為X向偏右位置，通過仿真分析，擠壓中間位置電池外殼變形會(huì)擠壓到電器盒，因此排除了擠壓中間位置的方案，針對(duì)擠壓位置進(jìn)行對(duì)比，最終將擠壓位置定在了電池靠右位置；通過標(biāo)定，試驗(yàn)設(shè)備摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1；擠壓試驗(yàn)電池包的變形與仿真一致，如圖11圖12所示；且仿真分析電池包承受載荷為200KN時(shí)，電池包被擠壓位置的最大位移為315mm，與試驗(yàn)結(jié)果313mm一致。

3.2 某電池包仿真分析抗擠壓結(jié)構(gòu)變形與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

某電池包內(nèi)部設(shè)計(jì)了抗擠壓橫梁框架結(jié)構(gòu)，材料為Q235低碳鋼，經(jīng)仿真分析，該抗擠壓結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生屈服變形導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，經(jīng)擠壓試驗(yàn)驗(yàn)證，該電池包在擠壓過程中起火導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，試驗(yàn)變形結(jié)果與仿真分析橫梁結(jié)構(gòu)變形一致，如圖13圖14所示，再次驗(yàn)證了分析結(jié)果準(zhǔn)確性。

圖13 某電池包擠壓仿真分析變形云圖

圖14 某電池包擠壓試驗(yàn)

4 結(jié)論

通過本文研究，基于顯示動(dòng)力學(xué)分析的電池包擠壓仿真技術(shù)研究及其應(yīng)用情況總結(jié)如下：

（1）建立了合理的電池包精細(xì)化擠壓仿真分析模型，基于顯式動(dòng)力學(xué)，通過控制其質(zhì)量縮放系數(shù)，保證模型結(jié)果精確度。

（2）通過仿真分析，可有效預(yù)判試驗(yàn)結(jié)果成敗，同時(shí)，為擠壓位置的選擇提供了重要參考。在試驗(yàn)前通過仿真擠壓過程判斷結(jié)構(gòu)是否有平動(dòng)翻轉(zhuǎn)以及上下翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)，設(shè)計(jì)合理的工裝，以保證擠壓試驗(yàn)的正常開展。通過針對(duì)不同擠壓設(shè)備，設(shè)定并校正合理的摩擦系數(shù)，大大提高了分析模型精確度；通過分析預(yù)選電池?cái)D壓位置，多次計(jì)算對(duì)比結(jié)果定擠壓位置的方案，最大程度提高試驗(yàn)通過率。

（3）通過仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了仿真分析模型的準(zhǔn)確性，可大大降低電池包在設(shè)計(jì)過程中反復(fù)驗(yàn)證的成本，縮短了電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期。

[1] GB/T31467.3-2015 電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分:安全性要求與測(cè)試方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015:4-7.

[2] 馮富春,楊重科,李彥良,等.某電動(dòng)汽車電池包擠壓仿真分析[J].電源世界,2017,33-36.

[3] 賈迎龍,熊飛,劉靜,等.某電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?cái)D壓仿真與試驗(yàn)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019,14-17.

[4] ImanFaridmehr,MohdHanim Osman, Azlan Bin Adnan,Ali Farokhi Nejad, Reza Hodjati, Mohammad Amin Azimi. Correlation between Engineering Stress-Strain and True Stress-Strain Curve[J].American Journal of Civil Engineering and Architecture,2014,2(1):53-59.

Extrusion Analysis and Application of Power Battery Pack*

Liu Jing, Li Gang, Wei Dan, Xiong Fei, Zeng Weiquan

( Automobile engineering research institute of guangzhou automobile group co. LTD, Guangdong Guangzhou 511434 )

Based on explicit dynamics theory, this paper carried out in-depth research on battery pack extrusion analysis method, and established a reasonable and accurate finite element analysis model through simulation analysis test. The structure of the battery pack is optimized by the simulation results of extrusion, and the good agreement between the finite element model and the test results is verified by the bench test, so that the risk of failure of the extrusion test of a vehicle battery pack is reduced.

Power battery pack;Extrusion analysis;Explicit dynamics theory;Test application

U473.4

A

1671-7988(2019)13-39-04

U473.4

A

1671-7988(2019)13-39-04

劉靜，女，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，新能源結(jié)構(gòu)分析室主任，從事新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究及新能源三電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性分析體系建立工作。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2017YFB0103300）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.015