电池箱静强度分析的简化和精细分析方法

目前电池箱静强度分析的加载方式多为质量点，鲜有建立精确的内部电池组模型的研究。本文建立精细化全接触式的电池箱静强度分析模型；结果表明，精细化电池箱模型更符合实际。

电池箱是电动汽车的核心部件之一，设计高强度、高刚度、高安全性、高轻量化的电池箱，对电动汽车的发展具有重要意义。文献为电池箱的强度分析和结构优化提供了有益的参考，但是，这些研究大多是建立粗略的电池箱模型，采用均布载荷或质量点的形式进行加载，并没有考虑电池组的内部结构、电池组与箱体的接触非线性、BMS等电气附件对箱体变形的影响，力的传递路径与实际情况并不吻合。相关研究表明，过于简化的电池箱模型会导致响应的严重失真，进而影响后续的结构优化。

为了精确地分析电池箱箱体的结构响应，保留了电池组内部电芯、电芯压杆、螺柱等传力部件，建立了考虑电池组、托架、压板、加强板、紧固螺栓、BMS电气附件以及外壳的精细化模型，分别采用质量点模型和精细化模型研究电池箱的静态性能。通过对比，精细化电池箱模型的结构响应更符合实际。

1 电池箱精细化有限元模型
目前已有的研究大部分采用质量点模拟电池组，虽然建模速度快，计算时间少，但是电池组对箱体冲击力并不是均匀分布在箱体上，箱体变形并不符合实际。因此，有必要建立考虑电池箱内部电芯、托架及BMS等电气附件的精细化有限元模型。电池组内部有许多电芯、压板、隔板、电芯连接片、模块连接片、固定螺栓，结构十分复杂，考虑到仿真的难度和准确度，该精细化电池箱模型主要体现在以下方面：

1）电芯数量过多，考虑到建模的时间、计算量、接触面，将12个电芯组成的电池组视为一个实体，传力的大小和路径比质量点更精确；
2）保留电池组主要的传力部件，例如上压杆、内压杆、固定螺栓和外壳，保证电池组的惯性冲击力按精确的路径作用到箱体底板；
3）考虑电池组与底板、压杆与电池组之间的接触非线性，保证电池组的惯性冲击力按精确的大小作用到箱体底板。
4）简化程度低，仅仅忽略对静强度影响不大的电芯连接镀镍铜片、模块连接片等。



由于箱体、压杆、底板等部件多为板壳类结构，所以采用壳单元模拟；电池组采用六面体单元模拟；电池组内部的固定螺栓不承载电池组载荷，采用CBEAM梁单元模拟；上压板与底板的紧固螺柱起局部加强作用，采用六面体单元建模；托脚与箱体、箱体和箱盖、托架和压板等之间的螺栓连接认为不发生强度失效，采用REB2刚性单元模拟；电池箱托架之间的点焊、加强板的焊接等采用焊接单元CWELD模拟；电池组与托架、托脚与箱体、托架与箱体之间的接触均建立非线性接触。电池箱的精细化模型如图所示，单元尺寸为5mm×5mm，共计单元289503个，节点325832个，雅克比最小为0.7，质量非常高。



2 电池箱静强度的对比分析
电池箱静强度分析的加载方式主要有均布力、均布载荷、质量点等，这三种方式往往需要很大的动载系数，电池箱的应力和变形十分保守。为对比不同加载方式的响应差异，分别采用质量点模型和精细化模型进行加载。电动汽车行驶工况繁多，不可能穷尽。有文献选取了垂向颠簸、左转弯、右转弯、前进制动、倒车制动五种工况，分析表明垂向颠簸工况下电池箱的应力状况最恶劣，安全系数最小，为1.54。故本文以颠簸工况为参照，对整体施加垂向加速度3g（X负方向）。电池箱通过托脚和螺栓连接在车架上，故约束托脚螺栓孔处中心点X、Y、Z的平动和转动自由度，模拟与车架的固定连接。



2.1 形变分析
1）质量点模型。在质量点模型中，由于箱体和箱盖仅仅起到密封、绝缘的作用，并不直接承受电池组载荷，所以重点研究托架的变形和应力。采用质量点模型的形变分布如图2所示，从图中可知，托架的整体变形表现为底板a、压板b中心的垂向弯曲，形变量由底板a中心位置向外呈辐射状减小，最大形变量为0.58mm；模型的柔度为568mm/N。
2）精细化模型。采用精细化模型的形变分布如图3所示，从图中可知，托架的最大形变发生在底板C处，最大形变量为0.12mm。形变主要表现为底板C、纵梁A以及BMS的垂向弯曲，并没有呈现出图2所示的中心向外辐射状。底板C、纵梁A处形变较大，是因为该侧布置了三个电池组，惯性冲击载荷较大。模型的柔度为22mm/N，刚度大幅提高。
由于质量点模型和精细化模型的传力大小和路径的不同，导致最大形变出现的位置和大小也不同，精细化模型的形变更符合实际。



图2 质量点模型形变云图



图3 精细化模型形变云图

2.2 应力分析

1）质量点模型。采用质量点模型的应力分布如图4所示，从图中可知，底板的应力分布很不均匀，最大等效应力出现在d处托脚螺栓孔附近，为101MPa，安全系数为2.3。
2)精细化模型。采用精细化模型的应力分布如图5所示，从图中可知，托架底板整体的应力较低，最大等效应力为102MPa，出现在D处所示的托脚螺栓孔附近，安全系数为2.3。
这两种模型的最大等效应力很接近，均出现在托脚的同一个螺栓孔处；底板中部肋上的应力值也很接近，约为25MPa。这说明质量点模型和精细化模型的托脚螺栓孔、底板的应力分布差异较小。



图4 质量点模型应力云图



图5 精细化模型应力云图

2.3 电池箱静强度综合评价
根据材料力学理论，在一般的静强度分析中，塑性材料的安全系数一般取1.5~3.2。黄明昌等人依据多年的汽车动力系统领域研究的经验，对电池箱的静力学形变给出参照，在3g加速度载荷下，电池箱内结构件的形变量不得超过3mm。由前面的分析可知，质量点模型和精细化模型的最大形变、最大应力均满足要求，精细化模型的形变和应力分布更符合实际，应采用精细化模型的响应作为结构优化的参考。

3 结 论
采用质量点模型和精细化模型对电池箱的静态性能进行对比分析。与传统的质量点模型相比，全接触式的精细化电池箱模型的传力大小和路径更为准确，得到的形变和应力更符合实际。对后续的尺寸优化、形貌优化最大变形节点、最大应力节点的选择具有积极意义。