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某电动汽车电池包挤压仿真分析

2021-03-03 11:17:27·  来源：Battery Insight view  作者：battery 风清扬  
　
1引言 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
1引言

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。
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。
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。

文章来源：北京新能源汽车股份有限公司
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