電池包箱體跌落擠壓動(dòng)力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

許莎, 陳浩, 楊亞莉, 蔡麗紅

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,上海 201620)

隨著我國(guó)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展,電池包作為電動(dòng)汽車的核心部件在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用日益增多,電池包在使用及儲(chǔ)運(yùn)過程中的安全問題也日益凸顯出來[1]。在激烈的外力作用下,電池包的模組容易起火甚至發(fā)生爆炸,嚴(yán)重威脅到司機(jī)和乘員的安全。電池包箱體是動(dòng)力電池的主要載體,對(duì)保證整個(gè)電池包的安全起著至關(guān)重要的作用。因此,對(duì)電池包箱體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使箱體滿足不同工況下的力學(xué)要求,對(duì)提高電池包的碰撞安全性具有重要的意義。

近年來,電池包箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全性方面的研究逐漸成為熱點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在使用復(fù)合材料、輕質(zhì)合金等輕量化材料對(duì)電池包箱體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)或采用尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化以及形貌優(yōu)化等優(yōu)化方法對(duì)電池包箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Hartmann等[2]采用形貌優(yōu)化,在提升箱體固有頻率的基礎(chǔ)上減輕了箱體重量。Wang等[3]提出了綜合考慮靜剛度和動(dòng)頻率的電池箱體拓?fù)鋬?yōu)化方法。Shui等[4-7]以質(zhì)量、固有頻率和變形為設(shè)計(jì)目標(biāo),對(duì)電動(dòng)汽車電池包箱體進(jìn)行尺寸優(yōu)化。Zhang等[8]對(duì)鋼、鋁、銅和碳納米管等不同電池包箱體的最大等效應(yīng)力和共振頻率進(jìn)行了分析,結(jié)果表明碳納米管在各方面表現(xiàn)較好。李明秋等[9-10]對(duì)電池包箱體上蓋采用形貌優(yōu)化,下箱體采用復(fù)合材料優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。冷曉偉[11]通過拓?fù)鋬?yōu)化提升了電池包箱體的強(qiáng)度、固有頻率和疲勞壽命。謝暉等[12]對(duì)鋁合金一體式電池箱上蓋進(jìn)行了形貌優(yōu)化,輕量化的同時(shí)提高了箱體的剛強(qiáng)度。蘭鳳崇等[13]建立了電池包箱體多材料選材與優(yōu)化設(shè)計(jì)流程,實(shí)現(xiàn)了電池包綜合性能提升。

在安全性研究方面,一般從結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析入手,進(jìn)而討論電池包的振動(dòng)特性或碰撞條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),并在此基礎(chǔ)上提高電池包箱體的耐沖擊性能。馮富春等[14]將箱體吊耳的斜面改為直面,從而提升了電池包的抗擠壓性能。李志杰等[15]對(duì)機(jī)械外力如正碰、側(cè)碰及振動(dòng)沖擊下的電池包安全性能進(jìn)行仿真分析,并提出了綜合評(píng)價(jià)電池包安全的方法和指標(biāo)。李垚坤等[16]對(duì)電池包靜剛強(qiáng)度和隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行分析并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案,增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度。岑波等[17]對(duì)電池包進(jìn)行擠壓和機(jī)械沖擊分析,考察電池包的機(jī)械沖擊性能?？锼伤傻萚18]在動(dòng)力學(xué)仿真中引入延性損傷準(zhǔn)則,提高了電池包擠壓仿真的準(zhǔn)確度。

目前的研究中,對(duì)電池包箱體的研究多為對(duì)其單一特性的優(yōu)化與驗(yàn)證,本文綜合考慮電池包在使用和儲(chǔ)運(yùn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的跌落和擠壓?jiǎn)栴},采用多樣的跌落方式、復(fù)雜的擠壓工況分析電池包箱體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。針對(duì)現(xiàn)用電池包箱體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不足,建立優(yōu)化設(shè)計(jì)流程,綜合跌落和擠壓工況優(yōu)化電池包箱體的耐撞性和抗擠壓強(qiáng)度,改善電池包箱體安全性能。

1 電池包箱體跌落及擠壓動(dòng)力學(xué)分析

1.1 電池包箱體跌落分析

本文對(duì)某電動(dòng)物流車的動(dòng)力電池包進(jìn)行研究。整車總質(zhì)量245 0 kg,整備質(zhì)量136 5 kg,最高時(shí)速80 km/h,電池總電量38.95 kW·h,設(shè)計(jì)續(xù)航里程260 km。整個(gè)電池包主要由箱體、模組、控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成,安裝在物流車底部,電池模組重327.1 kg,電池包總重386.6 kg。電池包箱體跌落分析的有限元模型如圖1所示。整個(gè)模型共803 663單元,模組采用六面體實(shí)體單元,箱體選用四邊形殼單元。電池包上下箱體螺栓連接孔剛性連接,模組與電池包下箱體采用共節(jié)點(diǎn)連接。為了防止各部件間發(fā)生相互穿透,電池包箱體設(shè)置自接觸[19],電池包下箱體與剛性地面設(shè)置面接觸。

箱體材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,采用Johnson-Cook材料模型,包含應(yīng)力硬化、應(yīng)變率的影響[20]。模組定義為彈性材料。箱體和模組的材料基本參數(shù)如表1所示。

表1 材料基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of materials

1.1.1 電池包箱體不同高度跌落分析

分別對(duì)電池包箱體在不同跌落高度和不同跌落角度下的工況進(jìn)行了跌落沖擊仿真。結(jié)合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[21]以及電池包在運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)的跌落高度,選取了5個(gè)高度h進(jìn)行分析,h分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間,將高度直接換算成觸地時(shí)的速度,5個(gè)跌落高度對(duì)應(yīng)的速度分別為3.96、4.20、4.43、4.64、4.85 m/s。為防止在初始計(jì)算時(shí)箱體和地面已經(jīng)接觸并發(fā)生相互作用,計(jì)算時(shí)電池包的離地高度設(shè)置為2 mm[22]。圖2是h分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m跌落時(shí)與地面接觸瞬間的最大等效應(yīng)力。從圖2可以看出,當(dāng)高度為0.8 m時(shí),最大等效應(yīng)力是325.5 MPa,當(dāng)?shù)涓叨葹?.2 m時(shí),最大等效應(yīng)力是331.1 MPa,后者比前者增大了1.72%。電池包箱體最大等效應(yīng)力雖然隨著跌落高度的變大而增大,但變化趨勢(shì)緩慢。因此在0.8 m到1.2 m的跌落高度范圍內(nèi),跌落高度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響不明顯。

在進(jìn)行大變形和沖擊分析時(shí),由于離散單元的局限性,通過等效應(yīng)力考察結(jié)構(gòu)的失效往往數(shù)值偏大,而工程應(yīng)用中有效塑性應(yīng)變是考察大變形和沖擊時(shí)的有效指標(biāo)[23]。不同跌落高度下,電池包箱體受到的沖擊載荷不同,因此具有不同的有效塑性應(yīng)變[24]。所有跌落高度的有效塑性應(yīng)變最大值都位于下箱體底部凸起處,與地面直接接觸的位置。對(duì)應(yīng)于跌落高度h分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m時(shí)的有效塑性應(yīng)變分別為0.085 75,0.096 25,0.106 8, 0.116 3, 0.126 6?？梢钥闯?不同跌落高度下最大有效塑性應(yīng)變均大于安全容限0.03,箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,有可能在跌落時(shí)遭到嚴(yán)重的破壞。1.2 m時(shí)最大有效塑性應(yīng)變比0.8 m時(shí)增大了47.64%,因此跌落高度對(duì)有效塑性應(yīng)變影響很大。

1.1.2 電池包箱體不同角度跌落分析

本文基于實(shí)際儲(chǔ)運(yùn)過程中電池包箱體可能的跌落角度設(shè)計(jì)了1 m高度跌落時(shí)4個(gè)不同跌落角度α的接觸沖擊分析,α分別為5°、10°、15°和20°。圖3所示為不同角度下電池包箱體的等效應(yīng)力分布情況。由于等效應(yīng)力是由電池包箱體觸地時(shí)刻速度以及與地面接觸面積決定,因此4個(gè)跌落角度下的最大等效應(yīng)力發(fā)生在不同時(shí)刻。

圖3 不同跌落角度的等效應(yīng)力Fig.3 Equivalent stress at different drop angles

從圖3可以看出,最大等效應(yīng)力隨跌落角度的增大而減小,跌落角度α=5°時(shí)的最大等效應(yīng)力是331.6 MPa,跌落角度α=20°時(shí)的最大等效應(yīng)力是326.7 MPa,相差4.9 MPa,變化幅度不大。因此,在α=20°的范圍內(nèi),跌落角度對(duì)最大等效應(yīng)力并沒有多大影響,表明跌落角度不太可能導(dǎo)致等效應(yīng)力驟然增大。

電池包箱體在α分別為5°、10°、15°和20°跌落下的最大有效塑性應(yīng)變分別為0.240 2,0.225 1, 0.211 3,0.189 0。最大有效塑性應(yīng)變基本都位于與地面接觸的箱體底部。跌落角度α=5°時(shí)的有效塑性應(yīng)變最大,是角度跌落的較薄弱工況。跌落角度α=20°的有效塑性應(yīng)變最小,比5°的有效塑性應(yīng)變減小了20.83%,說明跌落角度對(duì)有效塑性應(yīng)變有顯著影響[25]。

1.2 電池包箱體擠壓分析

1.2.1 等效應(yīng)力和有效塑性應(yīng)變

本文對(duì)電池包箱體橫向和豎向擠壓兩種方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。擠壓板采用剛性材料模擬,假設(shè)擠壓過程不發(fā)生彈塑性變形。無限大的剛性平面位于電池包箱體的底面及側(cè)面。電池包箱體不同方向的擠壓分析模型如圖4所示。

圖4 電池包箱體擠壓模型Fig.4 Extrusion model of a battery pack box

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在100 kN的擠壓力下,電池包不能起火和爆炸。因此需要對(duì)擠壓板達(dá)到100 kN擠壓力時(shí)電池包的變形狀態(tài)[26]進(jìn)行重點(diǎn)查看。4個(gè)擠壓工況下的等效應(yīng)力如圖5所示。橫向擠壓時(shí),擠壓板直接作用于吊耳處,導(dǎo)致應(yīng)力最大值極易出現(xiàn)在吊耳處,豎直擠壓下,受力方向上的面較易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖5 電池包箱體擠壓分析的等效應(yīng)力Fig.5 Equivalent stress of battery pack box extrusion

由圖5可知,4種擠壓工況下,Y向橫向擠壓時(shí)電池包箱體的應(yīng)力值是286.2 MPa,此時(shí)的最大等效應(yīng)力最小;X向橫向擠壓時(shí)電池包箱體的應(yīng)力值是313.3 MPa,此時(shí)的最大等效應(yīng)力最大。不同擠壓工況對(duì)等效應(yīng)力的影響較小,X向橫向擠壓時(shí)箱體較為薄弱。電池包箱體X向橫向、X向豎直、Y向橫向及Y向豎直擠壓4種工況下的最大有效塑性應(yīng)變分別為1.235,0.836 7,0.640 5,1.453,大于安全容限0.03,電池包箱體總體的有效塑性應(yīng)變過大,說明電池包箱體的強(qiáng)度不足,極易在擠壓工況下產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。

1.2.2 吊耳侵入量

本文分析4種擠壓工況對(duì)吊耳侵入量的影響,吊耳變形如圖6所示。

圖6 吊耳變形Fig.6 Deformation of lifting lug

由圖6可以看出,吊耳的變形量很大,說明在擠壓工況下,吊耳對(duì)碰撞能量吸收貢獻(xiàn)很大。擠壓工況中,吊耳對(duì)電池包箱安全性能有較大影響,而過大的吊耳侵入量會(huì)導(dǎo)致電池包箱體過早出現(xiàn)變形[27],威脅模組安全。X向橫向、X向豎直、Y向橫向及Y向豎直擠壓4種工況下,吊耳侵入量分別為19.1 mm、13.1 mm、11.6 mm、13.2 mm。X向橫向擠壓吊耳侵入量最大,Y向橫向擠壓時(shí)吊耳侵入量最小。最大吊耳侵入量比最小侵入量多64.7%,過大的吊耳變形量說明電池包箱體抗擠壓能力不足。

1.2.3 下箱體侵入量

判斷模組是否受到擠壓,主要的評(píng)價(jià)參數(shù)是下箱體侵入量。為保護(hù)模組安全,一般要求下箱體最大侵入量小于受力方向模組與箱體的原距離。本文的電池包模型,X向擠壓的安全距離是16.9 mm,Y向擠壓的安全距離為48.3 mm。圖7為下箱體在4種擠壓工況下的變形云圖。

從圖7可以發(fā)現(xiàn),豎直擠壓工況下高變形區(qū)域比橫向擠壓工況小,但最大變形量比橫向擠壓工況要大,說明豎直擠壓工況更容易壓潰箱體。X向橫向和X向豎直擠壓的最大侵入量分別為19.2 mm和20.3 mm,最大值都大于X向的安全距離16.9 mm,其中X豎直擠壓時(shí)安全隱患最大,超出安全距離20.1%。Y向橫向和Y向豎直擠壓的最大侵入量分別為41.3 mm和51.7 mm,Y向橫向擠壓侵入量小于安全距離48.3 mm,Y向豎直擠壓侵入量大于安全距離7%?？紤]4種工況下的侵入情況,本文現(xiàn)用電池包箱體不符合安全要求。

2 電池包箱體多目標(biāo)優(yōu)化

2.1 電池包箱體跌落優(yōu)化設(shè)計(jì)

分析電池包跌落仿真中的等效應(yīng)力和有效塑性應(yīng)變,可以發(fā)現(xiàn)電池包箱體強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)大都位于電池包下箱體的底部。因此,本文選取上箱體厚度和下箱體厚度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,通過改變箱體尺寸參數(shù)增強(qiáng)電池包箱體強(qiáng)度?？紤]到電池包箱體材料的工藝以及鈑金件的加工要求,上箱體和下箱體厚度的設(shè)計(jì)范圍為1～3 mm。以等效應(yīng)力、有效塑性應(yīng)變、重量最小化為目標(biāo),以電池包箱體跌落分析中的易破壞區(qū)域應(yīng)力和有效塑性應(yīng)變?yōu)榧s束,建立優(yōu)化模型。利用HyperStudy結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器,在現(xiàn)有的電池包箱體結(jié)構(gòu)上開展優(yōu)化設(shè)計(jì),定義25次計(jì)算,觀察每次計(jì)算變量和對(duì)應(yīng)響應(yīng)量的值,選擇最佳參數(shù)組合。跌落優(yōu)化前后的結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 跌落優(yōu)化前后對(duì)比Tab.2 Comparison before and after drop optimization

由表2可知,為了提高電池包箱體耐撞性能,通過增加下箱體厚度到2.97 mm以及上箱體厚度減小到1.2 mm,使電池包箱體的最大有效塑性應(yīng)變減小了20.8%,最大等效應(yīng)力和總重量略有降低,提升了電池包箱體的跌落碰撞性能。

2.2 電池包箱體擠壓優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了增加吊耳在變形時(shí)吸收的能量,減緩沖擊,擠壓優(yōu)化中選取上箱體厚度、下箱體厚度和吊耳厚度作為設(shè)計(jì)變量,考慮到電池包箱體材料的工藝以及鈑金件的加工要求,上箱體和下箱體厚度的設(shè)計(jì)范圍為1～3 mm,吊耳厚度的設(shè)計(jì)范圍是1～4 mm。擠壓優(yōu)化設(shè)計(jì)以等效應(yīng)力、有效塑性應(yīng)變、侵入量最小化為研究目標(biāo),結(jié)合電池包箱體擠壓分析中的薄弱區(qū)域?yàn)榧s束條件,建立擠壓優(yōu)化模型,得到擠壓優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 擠壓優(yōu)化前后對(duì)比Tab.3 Comparison before and after extrusion optimization

由表3中可知,下箱體侵入量為16.31 mm,比優(yōu)化前20.3 mm降低了19.7%,維持在安全距離以下,很好的增強(qiáng)了模組的安全性能。最大有效塑性應(yīng)變降低7.5%,最大等效應(yīng)力減小了0.7%,優(yōu)化方案能有效降低響應(yīng)量,提高電池包箱體安全性能。

2.3 電池包箱體優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)電池包箱體跌落工況優(yōu)化得到上箱體厚度1.2 mm、下箱體厚度2.97 mm,根據(jù)電池包箱體擠壓工況優(yōu)化得到上箱體厚度1.43 mm、下箱體厚度2.73 mm和吊耳厚度3.85 mm。為了滿足兩種工況要求,同時(shí)提高電池包箱體安全性,取上箱體厚度1.43 mm、下箱體厚度2.97 mm以及吊耳厚度3.85 mm?？紤]到鈑金件的工藝要求,調(diào)整箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)為上箱體厚度1.5 mm、下箱體厚度3 mm、吊耳厚度4 mm。根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電池包箱體的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析。

2.3.1 優(yōu)化后電池包模態(tài)分析

優(yōu)化前后電池包前10階固有頻率的對(duì)比情況如表4所示。從表4可以看出,優(yōu)化后電池包的前10階固有頻率有明顯改善。優(yōu)化后電池包的1階頻率37 Hz與優(yōu)化前的1階頻率22.2 Hz相比增大了14.8 Hz,高于路面的激勵(lì)頻率21 Hz,能夠避免電池包共振現(xiàn)象的發(fā)生。

表4 電池包前10階固有頻率

2.3.2 優(yōu)化后電池包箱體跌落分析

尺寸優(yōu)化后電池包箱體跌落響應(yīng)以最大等效應(yīng)力和最大有效塑性應(yīng)變作為優(yōu)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。電池包箱體跌落分析的等效應(yīng)力和有效塑性應(yīng)變情況如圖8所示。從圖8a)可知,等效應(yīng)力最大值為328.3 MPa,比較未優(yōu)化時(shí)等效應(yīng)力最大值331.6 MPa,最大等效應(yīng)力略有下降。由圖8b)可知,有效塑性應(yīng)變最大值0.19相比優(yōu)化前的0.24降低了20.8%,因此電池包箱體跌落工況時(shí)的安全性能得到了改善。

圖8 電池包箱體跌落云圖Fig.8 Contours of battery pack box drop

2.3.3 優(yōu)化后電池包箱體擠壓分析

圖9所示為優(yōu)化后電池包箱體的等效應(yīng)力以及下箱體的位移云圖。

圖9 電池包箱體擠壓云圖Fig.9 Contours of battery pack box extrusion

從圖9a)可知,等效應(yīng)力最大值為300 MPa,比優(yōu)化前的等效應(yīng)力最大值301.2 MPa略有減少。優(yōu)化后的有效塑性應(yīng)變最大值為0.68,相比優(yōu)化前的0.8,優(yōu)化后有效塑性應(yīng)變降低15%,提高了箱體強(qiáng)度。由圖9b)可知,最大侵入量為16.2 mm,相比優(yōu)化前的20.3 mm,優(yōu)化后侵入量降低20.2%,小于安全距離16.9 mm,達(dá)到電池包箱體擠壓標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 電池包跌落試驗(yàn)

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21]要求,蓄電池沿Z軸方向從1 m高度處自由跌落到水泥地面上,觀察2 h。考慮到實(shí)際儲(chǔ)運(yùn)或安裝過程中可能的跌落角度5°,試驗(yàn)跌落高度為電池包傾斜5°時(shí)最低點(diǎn)至水泥地面的距離。

將優(yōu)化后的電池包以1C充放電至廠家規(guī)定的截止條件并分別靜置30 min,進(jìn)行預(yù)處理,如圖10所示。

圖10 預(yù)處理Fig.10 Pretreatment

然后,將電池包提升到1 m處并傾斜5°,松開電池包讓其自由落體撞擊地面。跌落試驗(yàn)通過觀察試驗(yàn)過程中電池包有無電解液泄露著火或爆炸現(xiàn)象判斷其安全性能,試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出,跌落試驗(yàn)過程中并沒有發(fā)生電解液泄露或者爆炸起火現(xiàn)象,電池包箱體底部的變形較小,試驗(yàn)結(jié)果滿足跌落標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖11 跌落試驗(yàn)Fig.11 Drop Test

3 結(jié)論

1) 通過探討不同跌落高度(0.8、0.9、1、1.1、1.2 m)和不同角度(5°、10°、15°、20°)對(duì)箱體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)有效塑性應(yīng)變對(duì)高度和角度參數(shù)敏感程度很高,且最大值都位于下箱體底部,表明下箱體底部為跌落工況的薄弱區(qū)域,下箱體容易發(fā)生強(qiáng)度破壞。

2) 通過分析X向橫向、X向豎直、Y向橫向及Y向豎直4種擠壓工況下電池包箱體的動(dòng)態(tài)響應(yīng),發(fā)現(xiàn)X向橫向、X向豎直及Y向豎直擠壓工況下侵入量都高于電池包擠壓安全要求,表明電池包箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,存在著壓潰現(xiàn)象。

3) 通過多目標(biāo)尺寸優(yōu)化,綜合考慮跌落和擠壓工況,對(duì)電池包箱體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)比初始動(dòng)態(tài)特性,優(yōu)化后,電池包1階固有頻率顯著提高,有效的避免了路面和臺(tái)架試驗(yàn)的振動(dòng)頻率。跌落工況有效塑性應(yīng)變降低了20.8%,擠壓工況侵入量和有效塑性應(yīng)變分別降低了20.2%和15%,表明電池包的跌落和擠壓安全性能在優(yōu)化后得到了明顯的提升。