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乘用车电池包挤压仿真案例分析
2018-05-02 16:04:11· 来源：捷能科技
通过电池包挤压仿真分析，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。
通过电池包挤压仿真分析，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。
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）。
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。
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。
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 10 min 。为了能够快速求解，设置总的计算时间为 0.12s，载荷通过 Smooth Step 幅值曲线进行施加。挤压力加载曲线见图4。
初始模型分析：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。
初始模型分析：Y向挤压结果分析
由图 7 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。
优化模型：X向挤压结果分析
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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 10 min 。为了能够快速求解，设置总的计算时间为 0.12s，载荷通过 Smooth Step 幅值曲线进行施加。挤压力加载曲线见图4。
初始模型分析：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。
初始模型分析：Y向挤压结果分析
由图 7 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。
优化模型：X向挤压结果分析
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。
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。
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。
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