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北汽新能源 | 某电动汽车电池包挤压仿真分析

2020-02-25 14:06:47·  来源：电动学堂  
　
作者单位：北京新能源汽车股份有限公司文章DOI:1561-0349（2017）04-0033-041 引言随着能源的紧缺及环境污染问题的日益加剧，新能源汽车成为当今汽车领域研究的
作者单位：北京新能源汽车股份有限公司
文章DOI:1561-0349（2017）04-0033-04
 
1 引言
随着能源的紧缺及环境污染问题的日益加剧，新能源汽车成为当今汽车领域研究的热点，安全、节能和环保，已成为当前汽车工业发展的三大趋势。和其他交通工具一样，电动汽车必须综合考虑各部件的安全性及使用寿命等方面的要求。电池箱作为电池系统的重要部件，是保证系统安全的重要屏障。GBT31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第三部分：安全性要求与测试方法中，给出了电池系统安全性测试的具体方法。根据反馈电池包挤压测试，经常会出现箱体失稳或严重变形导致的电池模组短路现象，因而引起电池包爆炸起火，是安全性测试中通过率较低的项目。电池系统成本昂贵，如果单纯采用试验方法进行研究，不但增加研发成本还会延长开发周期。随着计算机技术和数值计算方法的快速发展，基于有限元理论的CAE分析技术在动力电池系统安全领域得到了广泛应用，如电池包在极限工况下的静力学分析、模态分析、振动冲击分析、疲劳耐久分析、挤压碰撞分析等。
 
本文针对某纯电动汽车电池包进行挤压仿真分析，对电池箱的结构进行优化，从而提高电池包的抗挤压强度，保证了电池包的安全性。电池包挤压仿真，可为电池系统的安全设计提供有益参考。
 
2 电池箱几何模型
电池包采用CATIA进行三维建模，其模型如图1所示。电池包长1465mm，宽960mm，高270mm。箱盖由DC06钢材冲压成型，箱体为压铸一体成型，材料为ZL104。箱体设有11个固定点与车体连接。经过估算，整个电池箱约重410kg（包括电池、箱体、线束、BMS、接插件等）。
3 有限元模型
为了更好地模拟电池包受挤压后对电池模组、高低压器件及BMS的影响，建立有限元模型时将电池模组采用六面体网格划分，高低压器件及BMS采用四面体网格划分，网格尺寸在(5-10)mm之间。箱体钣金件进行抽中面处理，对中面中存在的残缺破面进行修补。对箱体中的倒角、小孔等进行适当的几何简化，采用四面体单元对箱体模型进行划分，单元尺寸取8mm，整个模型共划分523320个单元、280658个节点。压头及挡板设为刚体，压头半径75mm，长度1000mm，X向、Y向挤压模型分别如图2、图3所示。
4 材料参数
电池模组、高低压器件、BMS及SMC箱盖均采用弹性材料模型，下箱体及模组固定支架等钣金件，采用弹塑性材料模型。各零部件材料的力学性能参数，见表1所示。
5 边界条件及载荷
将刚性墙的3个平动和3个转动自由度进行约束，压头除释放挤压方向的平动自由度外，对其余5个自由度进行全部约束。国标规定挤压力达到200kN或挤压变形量达到挤压方向整体尺寸的30%时停止挤压，并保压10min。为了能够快速求解，设置总的计算时间为0.12s，载荷通过SmoothStep幅值曲线进行施加。挤压力加载曲线见图4。
6模拟结果分析
6.1初始模型挤压结果分析
6.1.1初始模型X向挤压结果分析
图5为电池包X向挤压后的位移云图，箱体最大位移65.1mm，箱体已经和BDU(高压盒)发生接触，有发生短路的风险；图6为电池包X向挤压后箱体的应力云图，箱体最大应力为185MPa，已接近ZL104的抗拉强度，电池包发生破坏的风险较大。
6.1.2初始模型Y向挤压结果分析
由图1可知，电池包初始模型吊耳设计成斜面状，吊耳上宽下窄，直接挤压箱体下部会导致箱体向上滑动，不能有效挤压到箱体，因此Y向挤压时挤压吊耳的上部位置。图7为电池包Y向挤压后的位移云图，箱体最大位移123.6mm，箱体已经和电池模组发生接触，挤压到电池的可能性较大；图8为电池包Y向挤压后箱体的应力云图，箱体最大应力为194MPa，已接近ZL104的抗拉强度，电池包发生破坏的风险较大。
6.2优化模型挤压结果分析
电池包箱体优化后的模型见图9所示，电池模组内部排布发生变化但固定点位置及重量不变。箱体吊耳由原来的斜面改成直面，增大箱体与刚性墙的接触面积，这也有利于提升车辆的碰撞性能。本次仿真时压头挤压吊耳的下部平面位置。
6.2.1优化模型X向挤压结果分析
优化模型X向挤压后箱体变形较小，最大位移1.8mm，见图10所示；图11为电池包X向挤压后箱体的应力云图，箱体的最大应力为136MPa，未超过ZL104的抗拉强度，电池包发生破坏的风险小。
6.2.2优化模型Y向挤压结果分析
优化模型Y向挤压后箱体变形较小，最大位移14.6mm，见图12所示；图13为电池包Y向挤压后箱体的应力云图，箱体最大应力为175MPa，小于ZL104的抗拉强度，电池包发生破坏的风险小。
问题，通过对电池包进行优化设计，降低电池包挤压实验通过的风险，为电池系统的结构安全设计提高有益参考。
7 结论
通过对电池包进行挤压分析，得到了电池包在挤压过程中的位移及应力分布情况，提前发现电池包结构强度存在的问题，通过对电池包进行优化设计，降低电池包挤压实验通 过的风险，为电池系统的结构安全设计提高有益参考。
 
 
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