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某型電動汽車電池包結(jié)構(gòu)安全性研究

2021-03-03 11:19:50·  來源：Battery Insight view  作者：battery 風清揚  
　
0引言 目前，針對電池箱體結(jié)構(gòu)性能方面的研究主要是集中在靜態(tài)分析、動態(tài)分析等方面。電池箱的靜態(tài)分析的目的在于分析電池箱的承載能力、抗變形能力，找到設計不足之處，從而優(yōu)化電池箱的薄弱位置，保障動力電池安全。動態(tài)分析主要是指模態(tài)分析、定頻振動分析
0引言
 
目前，針對電池箱體結(jié)構(gòu)性能方面的研究主要是集中在靜態(tài)分析、動態(tài)分析等方面。電池箱的靜態(tài)分析的目的在于分析電池箱的承載能力、抗變形能力，找到設計不足之處，從而優(yōu)化電池箱的薄弱位置，保障動力電池安全。動態(tài)分析主要是指模態(tài)分析、定頻振動分析、隨機振動分析等，用來分析電池箱在路面不平度激勵下，電池箱容易振動的薄弱位置，對電池箱進行抗振優(yōu)化設計，提高其抗振性能。
本文基于某汽車主機廠的純電動汽車電池結(jié)構(gòu)項目，首先通過HyperMesh建立了電池包的有限元模型，進行了靜力學分析，結(jié)果表明在3種典型工況下，最大應力均小于屈服強度，滿足安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)未發(fā)生失效；然后，基于OptiStruct進行了電池包模態(tài)分析和隨機振動分析，確認了結(jié)構(gòu)失效的最危險位置；最后進行了掃頻試驗、隨機振動試驗。試驗結(jié)果表明，該動力電池包滿足在通過不平路面引起的隨機振動下的安全性能要求。對比了掃頻試驗得到的實際模態(tài)與仿真計算得到的模態(tài)，驗證了仿真結(jié)果的可靠性。
 
1電池包有限元分析模型的建立
 
電池包由上蓋、下箱體、模組、銅排、BDU、BMU、接插件、防爆閥、冷卻系統(tǒng)等部分構(gòu)成。某汽車主機廠的純電動汽車電池結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其長×寬×高分別為1473.6mm×1190mm×146mm。電池包具體參數(shù)如表1所示。上箱體材料為SMC復合材料，密度為1.7e-9kg/m3，楊氏模量為1.0e+4MPa，泊松比為0.3。下箱體材料為Al6061-T6,密度為2.7e-9kg/m3，楊氏模量為7.0e+4MPa，泊松比為0.33。
 
在保證計算精度前提下，對電池包進行簡化，以HyperMesh軟件建立電池包有限元模型，以質(zhì)量點的形式模擬電池、模型質(zhì)量的檢查，為動力電池包的箱體和電池模組單元賦予材料屬性、約束及載荷施加以及工況的定義等。電池包整體劃分為176433個單元，單元尺寸為10mm，建立的有限元模型如圖2所示。
 
2電池包靜載荷分析
 
對結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)分析，可以得到結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷作用下的形變與應力，便于校核結(jié)構(gòu)的剛度、強度是否合格。本文靜態(tài)分析工況選擇汽車減速、轉(zhuǎn)彎以及減速丘時電池包的受力情況，分別對應于整車方向上電池包沿X方向上施加3倍重力加速度，沿Y方向上3倍重力加速度，以及沿Z方向上5倍重力加速度。
2.1X方向靜態(tài)工況分析
在汽車行駛過程中遇到緊急情況時，制動汽車將從輪胎處獲得制動力，電池包會承受向前的慣性力。本文給電池包施加3倍重力加速度，方向與汽車行駛方向相反，利用Optistruct進行計算后，計算結(jié)果在后處理軟件HyperView中以應力、位移云圖的方式呈現(xiàn)，結(jié)果如圖3、圖4所示。
 
由圖可知，在此工況下，電池包的最大位移主要出現(xiàn)在電池包下箱體底板的前部和后部，且最大位移為0.05mm；電池包的最大應力出現(xiàn)在電池包下箱體底板，應力最大值為8.9MPa，小于屈服強度266MPa，而且整體沒有出現(xiàn)大的應力集中，認為在前進制動工況下電池包強度滿足要求。
2.2Y方向靜態(tài)工況分析
汽車在轉(zhuǎn)彎時，離心運動將使汽車有沿彎道切線行駛的趨勢，這時電池包整體存在指向彎道曲率中心向心加速度。本文設定電池包受3倍重力加速度，方向彎道曲率中心方向，利用Optistruct進行計算后，計算結(jié)果在后處理軟件HyperView中以應力、位移云圖的方式呈現(xiàn)，結(jié)果如圖5、圖6所示。
 
由圖可知，在此工況下，電池包最大位移主要出現(xiàn)在電池包下箱體底板的右側(cè)，且最大位移為0.048mm；電池包最大應力出現(xiàn)在電池包右側(cè)吊耳處，應力最大值為21.5MPa，小于屈服強度266MPa，而且整體沒有出現(xiàn)大的應力集中，可以認為在前進制動工況下，電池包強度滿足要求。
2.3Z方向靜態(tài)工況分析
當其初行駛通過凹凸坑時，車身受到向上或向下的加速度作用，此時電池包承受較大的垂直加速度。本文設定電池包受5倍重力加速度，方向為垂直方向，利用Optistruct進行計算后，計算結(jié)果在后處理軟件HyperView中以應力、位移云圖的方式呈現(xiàn)，如圖7、圖8所示。
由圖可知，在此工況下，電池包的最大位移主要出現(xiàn)在電池包下箱體底板的中部，且最大位移為0.52mm；電池包的最大應力出現(xiàn)在電池包兩側(cè)吊耳處，應力最大值為56.5MPa，小于屈服強度266MPa，而且整體沒有出現(xiàn)大的應力集中，可認為在前進制動工況下，電池包強度滿足要求。
 
3電池包隨機振動分析
 
汽車在行駛過程中受到很多振動激勵源，振動情況也很復雜，所以，用隨機振動來模擬電池包的振動特性。將電池包受到的振動來源分解為X，Y，Z共3個方向的功率譜密度。本文針對5~200Hz之間的頻率以對數(shù)掃頻的方法對電池包結(jié)構(gòu)進行隨機振動分析，隨機振動結(jié)果如圖9—圖11所示。
 
圖9為電池包在X方向上的RMS應力云圖，最大值為3.05MPa，出現(xiàn)在電池包下箱體底部位置；圖10為電池包在Y方向上的RMS應力云圖，最大值為7.49MPa，出現(xiàn)在電池包下箱體兩側(cè)吊耳位置；圖11為電池包在Z方向上的RMS應力云圖，最大值為14.95MPa，出現(xiàn)在電池包下箱體兩側(cè)吊耳、頂部位置?？梢哉J為X，Y，Z方向上的RMS應力最大值均小于材料的抗拉應力，滿足強度要求。
 
4電池包振動試驗驗證
 
試驗根據(jù)GB/T31467.3關(guān)于蓄電池包或系統(tǒng)的振動試驗要求進行。按試驗要求將電池箱固定于振動試臺上。實驗掃頻條件和隨機振動條件如表2、表3所示。
分別對Pack的3個軸方向進行12h的隨機和2h定頻振動測試。（1）Z方向，正弦掃頻，Z方向隨機振動，正弦掃頻，Z方向定頻振動；（2）Y方向，正弦掃頻，Y方向隨機振動，正弦掃頻，Y方向定頻振動；（3）X方向，正弦掃頻，X方向隨機振動，正弦掃頻，X方向定頻振動。
試驗過程中，監(jiān)控電芯的電壓和溫度等信號，試驗結(jié)束后，觀察2h，觀察電池包無機械損壞，未發(fā)現(xiàn)漏液、起火、短路、爆炸現(xiàn)象；測試前后，電芯溫度、電壓、絕緣阻抗均正常，在振動測試過程中無異常現(xiàn)象出現(xiàn)，電池包通過振動測試。
由圖12—圖14可知，發(fā)生共振的最高峰為電池包的試驗模態(tài)，經(jīng)計算可得，Z方向模態(tài)為56.5Hz，Y方向模態(tài)為118Hz，X方向模態(tài)為155Hz。將試驗測試的模態(tài)與仿真計算的模態(tài)進行對比，對比如表4所示，表明仿真結(jié)果可靠。
 
5結(jié)論
 
本文采用有限元仿真的方法對電池包進行靜載荷分析、模態(tài)分析及隨機振動分析，其中，靜載荷分析的前進制動工況下、轉(zhuǎn)彎工況下、垂直顛簸工況下的應力及應變均小于其屈服強度，整體沒有出現(xiàn)較大的應力集中，滿足電池包箱體的強度設計要求；隨機振動仿真結(jié)果分析出最大應力、應變及所在位置，均小于材料的抗拉壓力，滿足強度設計要求；對電池包進行掃頻和隨機振動試驗，觀察發(fā)現(xiàn)無異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，電池包通過振動測試；并將電池包的試驗整體模態(tài)與仿真計算所得的模態(tài)進行了對比驗證，結(jié)果接近，驗證了仿真結(jié)果的可靠性，表明基于OptiStruct的電池包仿真大大節(jié)約了人工、時間上的成本。但是，由于本文將模組進行簡化為六面體，當電池箱體裝滿模組剛度可能會有所變化，如何更精準地處理模組仿真工作需要進一步的研究。
 
文章來源：上海理工大學
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