某電動(dòng)汽車(chē)電池包強(qiáng)度仿真分析與優(yōu)化

摘要：通過(guò)對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，探測(cè)電池包強(qiáng)度薄弱區(qū)域，找出電池包在整車(chē)工況載荷下結(jié)構(gòu)容易失效的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。通過(guò)電池包結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，消除電池包結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，保證電池包及整車(chē)強(qiáng)度安全。

關(guān)鍵詞：電池包;CAE;強(qiáng)度;失效

0 引言

新能源汽車(chē)、智能化汽車(chē)、互聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)是目前汽車(chē)發(fā)展的三大主流方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2017年，我國(guó)汽車(chē)保有量2.17億輛，燃油汽車(chē)已成為能源消耗的主要領(lǐng)域，為解決能源危機(jī)，中國(guó)政府對(duì)新能源汽車(chē)發(fā)展高度重視并大力扶持。

汽車(chē)行駛時(shí)，路面的凹凸不平會(huì)使電池包受到振動(dòng)載荷。電池包強(qiáng)度需要滿足國(guó)家強(qiáng)制檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31467.3-2015《電動(dòng)汽車(chē)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》，電池包要經(jīng)受X/Y/Z三個(gè)方向機(jī)械沖擊載荷試驗(yàn)。在工程設(shè)計(jì)階段，若采用物理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞區(qū)域，開(kāi)發(fā)周期不便于控制，經(jīng)濟(jì)成本也高。使用CAE技術(shù)可以把試驗(yàn)時(shí)間壓縮至原來(lái)的十分之一甚至百分之一，大大降低了開(kāi)發(fā)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期[1]。當(dāng)前，工程中常采用CAE技術(shù)進(jìn)行電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核、改進(jìn)，使開(kāi)發(fā)周期和經(jīng)濟(jì)成本有利控制。本文基于電池包的原始結(jié)構(gòu)，按照試驗(yàn)工況，首先進(jìn)行CAE結(jié)構(gòu)仿真分析，探測(cè)電池包易破壞的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案，保證電池包的機(jī)械強(qiáng)度安全。

1 電池包CAE分析流程及建模

1.1 CAE分析流程

CAE技術(shù)的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化[2]。本文CAE分析流程如圖1：

1.2建立有限元模型

（1）電池包三維模型處理

電池包的初始三維模型如圖2所示：

（2）電池包三維模型幾何清理

清理電池包模型干涉問(wèn)題，去除電池包模型中的尖角、圓角等細(xì)微特征，避免出現(xiàn)網(wǎng)格劃分精度及網(wǎng)格畸異造成仿真結(jié)果失真。

（3）電池包載荷類(lèi)型

根據(jù)電池包國(guó)家強(qiáng)制檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31467.3-2015《電動(dòng)汽車(chē)

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》，電池包要進(jìn)行機(jī)械沖擊試驗(yàn)，因此電池包需要進(jìn)行垂直Z方向3g，水平X方向4g及水平Y(jié)方向4g沖擊載荷，如下表1所示。

（4）電池包材料參數(shù)

（5）電池包模型網(wǎng)格劃分

電池包模型劃分網(wǎng)格后如圖3所示。網(wǎng)格模型單元總數(shù)：368759個(gè)，網(wǎng)格類(lèi)型為六面體、四面體混合網(wǎng)格。

2 電池包仿真分析結(jié)果

2.1電池包在X向4g載荷工況下的分析結(jié)果

從圖4～5可以看出，在X向4g載荷工況中，最大應(yīng)力為330.3MPa，應(yīng)力超過(guò)Q235A材料的屈服強(qiáng)度235MPa。應(yīng)力主要集中在箱體兩端掛耳處以及掛耳裂縫處。因此電池包結(jié)構(gòu)不滿足X向強(qiáng)度要求。

2.2電池包在Y向3g載荷工況下的分析結(jié)果

從圖6可以看出，在Y向3g載荷工況中，最大應(yīng)力為105.7MPa，應(yīng)力未超過(guò)材料Q235A材料的屈服強(qiáng)度235MPa。應(yīng)力主要集中在箱內(nèi)側(cè)邊加強(qiáng)筋、箱體掛耳、箱內(nèi)側(cè)邊與橫向加強(qiáng)筋連接處。因此電池包滿足Y向強(qiáng)度要求。

2.3電池包在Z向3g載荷工況下的分析結(jié)果

從圖7可以看出，在Z向3g載荷工況中，最大應(yīng)力為150.7MPa，應(yīng)力未超過(guò)Q235A材料的屈服強(qiáng)度235MPa。電池包應(yīng)力主要集中于模組掛耳、箱內(nèi)加強(qiáng)筋、箱體掛耳處。箱體強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位于箱外掛耳的裂縫處，有失效風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化。

2.4電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化后的仿真結(jié)果

電池包應(yīng)力破壞風(fēng)險(xiǎn)處為電池包掛耳，其原始設(shè)計(jì)模型與改進(jìn)后模型如圖8～9所示。

電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)后，電池包X向4g載荷下應(yīng)力如圖10所示。

從圖10可以看出，經(jīng)過(guò)電池包風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)掛耳處的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在X向4g載荷工況中，最大應(yīng)力為168.8MPa，應(yīng)力未超過(guò)Q235A材料的屈服強(qiáng)度235MPa。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的電池包結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，保證了電池包在整車(chē)道路行駛中的機(jī)械結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)論

電池包作為汽車(chē)的關(guān)鍵零部件，電池包的機(jī)械結(jié)構(gòu)安全不僅關(guān)系到整車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全，更關(guān)系到乘客安全。電池包在整車(chē)使用時(shí)，會(huì)經(jīng)受來(lái)自路面及行駛工況的載荷，通過(guò)CAE仿真技術(shù)手段在電池包產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前期就能識(shí)別電池包結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，并針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低經(jīng)濟(jì)成本。目前新能源汽車(chē)發(fā)展迅速，CAE技術(shù)在電池包領(lǐng)域分析工作尚處于起步階段，因此積極探索CAE技術(shù)在新能源汽車(chē)用電池包設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造中應(yīng)用十分有意義[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]龍建云，夏長(zhǎng)高。汽車(chē)零部件疲勞壽命虛擬試驗(yàn)研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2012，37（2）：28-29.

[2]倪正順，帥詞俊.CAE方法中的優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械，2002，37（2）：16-18.

[3]王麗娟.車(chē)用動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)CAE分析優(yōu)化研究[D].南京理工大學(xué).2014.

夏宇鋒（1988.05—）、男、漢族、江西省上饒市、江西安馳新能源科技有限公司、碩士、復(fù)合材料CAE強(qiáng)度仿真方向。