電池包側(cè)向擠壓和底部托底的仿真分析研究

朱紅霞，胡 淼，李 欣

(凌云工業(yè)股份有限公司，上海 201708)

新能源汽車是世界汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，它不僅能降低環(huán)境污染，而且推動(dòng)了汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)，并為智能電網(wǎng)建設(shè)助力。新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，其暴露出來的安全隱患問題也不斷成為社會(huì)輿論焦點(diǎn)。電動(dòng)車起火現(xiàn)象屢見不鮮，火災(zāi)事故多因道路異物碰撞或其他機(jī)械載荷造成動(dòng)力電池包受撞擊、擠壓后電池殼體發(fā)生變形，導(dǎo)致模組電芯、高壓線束等電器元件短路或熱失控起火[1]。

電池包局部擠壓主要體現(xiàn)在側(cè)向擠壓、底部托底兩種典型工況。GB38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》[2]中所涉及的動(dòng)力電池系統(tǒng)機(jī)械安全性能評(píng)判測(cè)試主要包括振動(dòng)、機(jī)械沖擊、擠壓和模擬碰撞。擠壓測(cè)試要求擠壓速度不大于2 mm/s，通過有限元軟件進(jìn)行電池包擠壓工況仿真模擬時(shí)，若按照實(shí)際試驗(yàn)施加速度為2 mm/s 的載荷擠壓，由于計(jì)算機(jī)性能限制，求解效率低下，不利于快速得出結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)，仿真一般使用力載荷或者較大的速度載荷進(jìn)行擠壓。電池包底部托底指汽車行駛過程中途經(jīng)洼路、減速帶、壓過磚塊石頭等地面突出物時(shí)，電池包底部受到擠壓、撞擊或剮蹭，由于道路異物形狀復(fù)雜，暫未形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)電池包底部托底機(jī)械安全性能進(jìn)行測(cè)試要求，各類型異物托底嚴(yán)酷性沒有參考比照。本文基于以上兩種工況對(duì)某款電池包進(jìn)行了仿真分析研究。

1 仿真分析模型的建立

1.1 電池包建模

研究所選用電池包結(jié)構(gòu)及材料性能如表1 所示，主要包括上殼體、電池模組、下殼體三部分。上殼體材料為SMC；下殼體為鋁擠出型材焊接而成，材料6061_T6，下殼體底板為帶型腔的雙層鋁合金型材；電池模組包括模組電芯、模組端板，端板材質(zhì)6063_T6。Hypermesh 具有強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能，應(yīng)用其前處理模塊對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化處理并劃分網(wǎng)格。電池包上、下殼體網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為4 mm,單元類型為殼單元；電池模組網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為10 mm，單元類型為六面體實(shí)體單元。電池包螺栓連接采用RBODY 單元，焊縫連接使用殼單元；電池模組端板與電芯共節(jié)點(diǎn)連接。

表1 電池包模型及材料性能參數(shù)

1.2 電池包側(cè)擠壓仿真模型的搭建

參照GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》對(duì)電池包進(jìn)行擠壓仿真邊界條件設(shè)置。擠壓板設(shè)置為Φ150 mm 的剛性圓柱，圓柱高度大于被測(cè)對(duì)象高度，小于1 m；電池包側(cè)擠壓方向設(shè)置為y方向；電池包底部、被擠壓側(cè)分別設(shè)置剛性墻約束。目前，電池包擠壓仿真分析一般對(duì)剛性圓柱施加力載荷或者較大的恒定速度載荷進(jìn)行擠壓[3-5]，為對(duì)比結(jié)果差異，載荷參數(shù)設(shè)置為100 kN 以及2、30、100、200、500 和1 000 mm/s。電池包本體設(shè)置自接觸，電池包與剛性圓柱間建立接觸對(duì)，接觸類型選用TYPE7，電池包施加重力。電池包側(cè)擠壓模型見圖1。以上7 種側(cè)擠壓仿真模型分別使用16核工作站和160 核高性能云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行求解計(jì)算，以對(duì)比計(jì)算時(shí)間。

圖1 電池包側(cè)擠壓模型

1.3 電池包底部托底仿真模型的搭建

電池包底部結(jié)構(gòu)損壞的程度與道路異物的幾何形狀、規(guī)格尺寸和碰撞沖擊形式有著密切關(guān)系，由于目前并沒有統(tǒng)一規(guī)范對(duì)電池包底部機(jī)械性能測(cè)試進(jìn)行要求，故根據(jù)部分企業(yè)要求及檢索的部分重要文獻(xiàn)來設(shè)定電池包底部托底仿真邊界條件[6-10]。

圖2 異物托底位置

2 仿真結(jié)果對(duì)比分析

電池包側(cè)擠壓和底部托底工況仿真模型搭建完成后，采用通用有限元求解器RADIOSS 軟件進(jìn)行分析計(jì)算，并使用Hyperview/Hypergraph 后處理軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理。

2.1 側(cè)擠壓仿真分析結(jié)果

對(duì)于施加恒定速度載荷工況，當(dāng)剛性圓柱與電池包邊框間擠壓接觸力達(dá)到100 kN 時(shí)即可停止擠壓計(jì)算，擠壓仿真分析結(jié)果見圖3。

圖3 電池包側(cè)擠壓仿真分析結(jié)果

提取7 種側(cè)擠壓工況過程中剛性圓柱的接觸力-時(shí)間曲線、側(cè)向位移-時(shí)間曲線，擬合獲得剛性圓柱接觸力-位移曲線如圖4(a)所示，電池包側(cè)向加載100 kN 擠壓力時(shí)，側(cè)向位移8.86 mm，以施加載荷100 kN 時(shí)求解的位移-力坐標(biāo)(8.86，100)為基準(zhǔn)，各速度載荷下擠壓力達(dá)到100 kN 時(shí)獲得位移進(jìn)行對(duì)比。圖4(b)為電池包擠壓試驗(yàn)，圖4(c)為2 mm/s 擠壓速度下所提取的擠壓柱力-位移曲線，與以100 mm/s 速度的擠壓仿真提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并以±20%試驗(yàn)力值作為浮動(dòng)范圍窗口，由于仿真材料參數(shù)不能完全體現(xiàn)實(shí)際材料性能，及其他各類因素影響，試驗(yàn)仿真結(jié)果有一定差異，但由圖可見，曲線趨勢(shì)具有一致性，當(dāng)侵入量選定90 mm 時(shí)，試驗(yàn)擠壓力約為400 kN，仿真擠壓力約為450 kN，相差約12%。

圖4 剛性圓柱位移-力曲線趨勢(shì)

由表2 可知，電池包側(cè)向擠壓分別施加2、30、100、200、500 和1 000 mm/s 速度載荷，擠壓柱接觸力達(dá)到100 kN 時(shí)擠壓柱側(cè)向位移分別為8.87、8.85、8.84、8.80、4.78 和4.65 mm，經(jīng)對(duì)比可得，當(dāng)擠壓柱接觸力達(dá)到100 kN 時(shí)，加載速度值越小，擠壓柱位移與加載擠壓力時(shí)結(jié)果越接近；加載速度值為1 000 和500 mm/s 時(shí)，擠壓柱位移與加載擠壓力時(shí)相差較大。

表2 不同載荷下位移、求解時(shí)間對(duì)比

相同側(cè)擠壓工況下，160 核高性能云計(jì)算平臺(tái)計(jì)算時(shí)間約為16 核工作站的10.9 倍。由于速度載荷值越小，計(jì)算求解時(shí)間越長(zhǎng)，因此在使用速度載荷進(jìn)行側(cè)擠壓分析時(shí)，應(yīng)綜合考慮計(jì)算機(jī)性能與求解精度，而非一味追求實(shí)際測(cè)試條件要求，不計(jì)時(shí)間成本。

2.2 底部托底仿真分析結(jié)果

電池包托底屬于結(jié)構(gòu)耐久工況，電池包經(jīng)多次托底后各功能均應(yīng)保持正常，要求下殼體底板托底后不能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，電池模組Z方向不受擠壓或擠壓力、擠壓變形量限制在一定范圍內(nèi)。

提取電池包異物托底模擬工況的變形(圖5)、底板塑性應(yīng)變仿真分析結(jié)果進(jìn)行研究對(duì)比。由于電池包底板為鋁型材結(jié)構(gòu)，因此分別考察上、下底板變形量(表3)。錐形異物托底類似于鈍刺，條件最苛刻，托底力達(dá)不到25 kN 底板塑性應(yīng)變便會(huì)超過材料斷裂延伸率，發(fā)生開裂，錐體會(huì)接觸并擠壓模組；其余5 種托底工況下，電池包底板均與模組地面有一定距離，未觸碰電池模組，底板最大塑性應(yīng)變率均小于材料斷裂延伸率，不會(huì)發(fā)生開裂。下層底板變形量按長(zhǎng)方體、五棱柱、三角柱、Φ150 mm 球體、Φ75 mm 球體次序依次增加，上層底板變形量除長(zhǎng)方體托底工況外也按此次序依次增加，底板變形嚴(yán)重程度主要由托底異物尖銳度、托底接觸面積、底板結(jié)構(gòu)特征所決定，同等托底力載荷下，托底異物越尖銳、托底接觸面積越小底板變形大，甚至開裂失效。長(zhǎng)方體托底時(shí)，雖然托底面積較大，但是上、下層底板間布置的筋特征剛好位于擠壓面上方，下層底板向上移動(dòng)時(shí)，其連接的兩條筋同時(shí)推動(dòng)上層底板運(yùn)動(dòng)，筋并未發(fā)生明顯彎曲變形，故上下層底板位移量接近。

圖5 電池包底部托底仿真分析結(jié)果

表3 各托底工況下底板變形量

3 結(jié)論

通過對(duì)動(dòng)力電池包側(cè)擠壓進(jìn)行仿真分析得出，施加不同擠壓載荷時(shí)，速度參數(shù)在2～200 mm/s 范圍內(nèi)剛性圓柱接觸力達(dá)到100 kN 時(shí)擠壓變形量與施加100 kN 力載荷時(shí)擠壓變形量數(shù)值一致性很高，兼顧結(jié)果精度與計(jì)算時(shí)間成本情況下，可以選用施加力載荷或者100 和200 mm/s 速度載荷進(jìn)行仿真分析。通過選用不同形狀幾何物體模擬電池包底部托底工況發(fā)現(xiàn)，托底力為定值時(shí)，托底異物尖銳度、托底接觸面大小是影響底板變形量的主要因素，可通過電池殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征、布置形式、連接關(guān)系、加工工藝進(jìn)行改善，或者汽車底部增加防撞梁、底護(hù)板，保護(hù)電池包安全性。

該仿真研究可為電池包側(cè)擠壓分析參數(shù)設(shè)置和異物托底變形評(píng)判提供重要參考。由于幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、模型網(wǎng)格尺寸大小、材料參數(shù)性能等都會(huì)對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果精度造成一定影響，在借鑒應(yīng)用結(jié)果時(shí)需視情況進(jìn)行合理選擇。