輕量化插電式電池盒設(shè)計(jì)

高飛

(福特汽車工程研究(南京)有限公司，江蘇 南京211100)

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車數(shù)量越來越多，傳統(tǒng)燃油汽車污染環(huán)境問題日益突出，近來中國政府大力倡導(dǎo)發(fā)展新能源汽車，插電式新能源汽車具有好的燃油經(jīng)濟(jì)性，因此插電式新能源汽車也是為了汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。電池包作為插電式新能源核心的零部件，降低整車重量和提升電池包安全性是汽車廠研究的重要課題，電池包在汽車行駛的過程中會(huì)受到來自各個(gè)方向的應(yīng)力，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效，因此電池盒設(shè)計(jì)要滿足強(qiáng)度要求。本設(shè)計(jì)基于CAE 模擬仿真評(píng)估電池盒的強(qiáng)度是否滿足要求，同時(shí)對電池盒按照國家法規(guī)要求進(jìn)行安全性能測試，進(jìn)一步評(píng)估電池盒設(shè)計(jì)的可行性。

1 設(shè)計(jì)要求

電池包要滿足GB/T 31467.3-2015[1]振動(dòng)，擠壓，碰撞的要求。電池包無泄漏、著火、爆炸等現(xiàn)象。

2 電池盒設(shè)計(jì)

2.1 電池盒材料選擇

通常電池盒設(shè)計(jì)采用鈑金沖壓焊接設(shè)計(jì)，并通過電泳或者噴塑方式進(jìn)行表面處理，防止腐蝕，但是因鈑金密度大約為7800kg/mm3,隨著中國對能量密度的要求逐漸提過，鋼材的電池盒能量密度逐漸滿足不了電池包的需求。相比于鈑金材料來說，鋁合金材料具有耐腐蝕性能好、散熱性強(qiáng)、質(zhì)量輕等方面的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)電池盒采用低壓鑄造設(shè)計(jì)，材料選用A356，密度為2700kg/mm3,遠(yuǎn)低于鋼材的密度，可以極大的提升電池包的能量密度，上蓋采用6 系鋁板才沖壓成型，具有強(qiáng)度高，密度低的優(yōu)勢。全鋁電池盒設(shè)計(jì)可以確保安全性能的同時(shí)，提升電池包的能量密度。

2.2 電池盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金電池盒如圖1，電池盒箱體重29kg，外形尺寸約為961mm×886mm×150mm，平均壁厚5mm，電池盒側(cè)壁設(shè)置4mm寬，3mm 高的加強(qiáng)筋用于強(qiáng)化電池包側(cè)壁的剛性；上蓋采用6系鋁型材進(jìn)行沖壓，重量約為9kg；通過鈑金支架固定在車身上，鈑金支架重量為1.5kg。

圖1 電池包

3 電池盒有限元仿真

3.1 電池盒有限元模型

通過Hypermesh 對電池包進(jìn)行網(wǎng)格劃分和處理，通過Abaqus 進(jìn)行后處理和分析。

3.2 振動(dòng)分析

在電池包支架打螺栓處，約束電池盒的自由度。工況設(shè)置為X 方向2.0g 加速度，Y 方向設(shè)置為2.0g 加速度，Z 方向設(shè)置為3.0g 加速度。把材料抗拉屬性賦予電池包進(jìn)行模擬仿真，如圖2，電池包的應(yīng)力應(yīng)變云圖，電池盒的最大的應(yīng)力為18.8Mpa，應(yīng)變?yōu)?.075mm，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度170Mpa 和延伸率6%。因此通過CAE 分析可以確定電池盒在振動(dòng)工況下是安全的，無破裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 電池包應(yīng)力應(yīng)變云圖

3.3 擠壓分析

電池包約束，在電池包左側(cè)設(shè)置豎直堅(jiān)硬墻，在右側(cè)設(shè)置擠壓棒。工況設(shè)置為擠壓棒向左側(cè)擠壓電池盒，應(yīng)力達(dá)到100KN，或者30%的變形量，停止擠壓。把材料抗拉屬性賦予電池包進(jìn)行模擬仿真，如圖3，電池包擠壓圖，電池盒左側(cè)支架產(chǎn)生彎曲變形，電池盒為塑性變形，并無破裂現(xiàn)象，擠壓棒不會(huì)侵入到電池包內(nèi)部的模組盒電芯。因此通過CAE 分析可以確定電池盒在擠壓工況下是安全的，無起火爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 電池包擠壓CAE

4 安全性能測試

為了驗(yàn)證電池包設(shè)計(jì)的安全性，本設(shè)計(jì)通過GB/T31467.3-2015[1]《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3 部分：安全性要求與測試方法》的規(guī)定對電池包實(shí)物進(jìn)行安全性能測試。電池包的安全性能測試包括振動(dòng)、擠壓、碰撞。電池包在振動(dòng)時(shí)，會(huì)受到各方面的力，電動(dòng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，電池包內(nèi)部的電池會(huì)因受到強(qiáng)烈的沖擊和擠壓，因此電池包在碰撞時(shí)可能發(fā)生漏電、起火甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。所以國家標(biāo)準(zhǔn)要求GB/T31467.3-2015[1]電池包在測試期間以及測試后，不應(yīng)發(fā)生起火、漏電、爆炸或電解液泄漏等現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)的電池盒在振動(dòng)、擠壓、碰撞時(shí)，均未出現(xiàn)起火、爆炸、電解液泄漏等問題，安全性能指滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。因此實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的電池包具有良好的安全性能。

圖4 擠壓和振動(dòng)試驗(yàn)

5 結(jié)論

插電式電池盒設(shè)計(jì)，在滿足安全性能的同時(shí)，采用輕量化設(shè)計(jì)，降低電池包的重量，提升了電池包的能量密度，同時(shí)通過CAE 仿真在設(shè)計(jì)階段優(yōu)先評(píng)估電池盒的安全性，可以節(jié)約項(xiàng)目開發(fā)的周期，在實(shí)際測試結(jié)果中，電池包通過了相關(guān)的法規(guī)測試，具有良好的安全性能。插電式電池盒作為新的技術(shù)領(lǐng)域，也是汽車電動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。