0前言 有限元仿真技術可以對電池PACK結構的設計提供可靠的分析方法和理論依據(jù),再設計初期就提出可能存在的缺陷及優(yōu)化方向,從而提高了動力電池產(chǎn)品的開發(fā)效率以及安全系數(shù) ? 目前對于電池包擠壓性能的研究,國內(nèi)一些學者展開了一些探索性的研究 ? 在對某電動汽
0前言
有限元仿真技術可以對電池PACK結構的設計提供可靠的分析方法和理論依據(jù),再設計初期就提出可能存在的缺陷及優(yōu)化方向,從而提高了動力電池產(chǎn)品的開發(fā)效率以及安全系數(shù) ?目前對于電池包擠壓性能的研究,國內(nèi)一些學者展開了一些探索性的研究 ? 在對某電動汽車電池包擠壓仿真分析,對電池包的擠壓方法,仿真的方式進行了部分研究,對電池包的機械結構強度進行了仿真,并沒有涉及到動力電池包在擠壓過程中發(fā)生塑性大變形及材料斷裂等情況 ?因此本文主要針對動力電池包的擠壓過程中發(fā)生嚴重擠壓變形的情況進行了有限元仿真的研究,并且進行了有限元仿真的試驗對標,提高動力電池包仿真分析的準確性和適用范圍 ?本文所研究的電池包PACK結構主要是由上蓋板,下箱體 ? 模組 ? 水冷系統(tǒng) ? 電器聯(lián)接部件及電池管理系統(tǒng)等組成 ? 上蓋板為SMC復合材料,下殼體采用6061高強鋁型材拼焊,模組安裝在下殼體上,整個動力電池包總重量約355kg,幾何模型如圖1所示 ?電池模組采用彈性材料模型,下箱體及內(nèi)部固定支架等金屬部件均采用彈塑性材料模型 ? 各零部件材料的力學性能參數(shù),見表1所示 ? 各金屬部件的材料數(shù)據(jù)均由實際樣件測試獲得,模組材料性能由模態(tài)對標等效法獲得 ?由于動力電池包擠壓試驗過程中,殼體會大量開裂,然而在處理模型發(fā)生塑性大變形及材料斷裂問題時,經(jīng)典的試驗與分析方法會失效,但是有限元方法能夠成功解決這類問題,所以本文主要采用了Abaqus軟件里提供的累計損傷與失效材料準則的有限元法來仿真動力電池包的擠壓試驗 ?(1)在高應變速率下變形時,有shear failure和tensile failure;；(2)對于斷裂延性金屈:可以選用韌性準則(ductile criteria)和剪切準則(shear criteria)；(3)對于縮頸不穩(wěn)定性可以使用(飯金)FLD ? FLSD ? M-K以及MSFLD；(4)對于鋁合金 ? 鎂合金以及高強鋼在變形過程中會出現(xiàn)不同機制的斷裂,可能會將以上準則聯(lián)合起來進行使用 ? 本文內(nèi)所采用的是韌性斷裂準則(DUCTLLE,即帶有應力三軸度的斷裂準則),由于動力電池包擠壓過程中,擠壓柱移動較緩慢,所以本文的仿真分析采用的是準靜態(tài)動力學仿真,暫不考慮應變率的影響 ?在GB/T31467.3-2015標準內(nèi)提出的各項安全性能測試中,動力電池產(chǎn)品的擠壓測試是通過率較低的項目 ? 通常擠壓測試要求以半徑為75mm的半圓柱體沿X和Y方向擠壓產(chǎn)品,當擠壓力達到100KN或擠壓變形量大于擠壓方向整體尺寸的30%時停止擠壓,保待10min后觀察lh,要求產(chǎn)品在發(fā)生嚴重擠壓變形的情況時無起火和爆炸現(xiàn)象 ?由于擠壓過程中,擠壓柱移動速度較慢,所以本文內(nèi)采用Abaqus軟件準靜態(tài)分析的顯示求解方法,通過設置的適當?shù)腗ass Scale系數(shù)(質量縮放法)來調節(jié)仿真計算時長與仿真計算精度間的平衡 ?仿真模型如圖3 ? 圖4所示,約束剛性墻6個自由度,擠壓柱釋放擠壓方向的自由度(約束其余5個自由度),擠壓速度4m/s,擠壓距離至電池包邊梁斷裂 ?初始模型X向擠壓結果如圖5所示,擠壓力能達到的最大峰值為87kN,達不到GB/T31467.3-2015要求的100KN,不滿足要求 ? 圖6為X向擠壓力達到峰值時的截面開裂變形云圖 ?初始模型Y向擠壓結果如圖7所示,擠壓力能達到的最大峰值為145kN,滿足GB/T31467.3-20I5要求的100kN,但從圖8中可以發(fā)現(xiàn),箱體變形位置與模組件的間隙較小,設計余量不足 ? 圖8為Y向擠壓力達到峰值時的截面變形云圖 ?通過擠壓仿真結果,發(fā)現(xiàn)箱體擠壓開裂主要底板與邊梁過度區(qū)域 ? 因此特地針對該區(qū)域各個加強筋用Tosca進行Topo優(yōu)化分析,然后結合工程工藝要求,優(yōu)化了各加強筋的布置及厚度,并對結構過強區(qū)域進行減重,方案對比見圖9 ?優(yōu)化模型X向擠壓結果如圖10所示,擠壓力能達到的最大峰值為135kN,滿足GB/T31467.3-2015要求的100kN ? 圖II為X向擠壓力達到100kN時的截面變形云圖 ?優(yōu)化模型Y向擠壓結果如圖12所示,擠壓力能達到的最大峰值為125kN,滿足GB/T31467.3-2015要求的100kN ? 圖13為X向擠壓力達到100kN時的截面變形云圖 ?為了驗證仿真的準確性,按GB/T31467.3-2015標準對動力電池進行擠壓測試 ? 試驗結果與仿真結果對比如圖14所示,從試驗與仿真對標結果可以看出,X向與Y向擠壓試驗完成后,動力電池PACK均發(fā)生了不同程度的開裂,仿真結果與實驗結果一致性比較好,基本可以驗證仿真結果的準確性 ? 試驗結果見圖15 ?(1)對于動力電池包擠壓工況,采用Abaqus仿真軟件的塑性金屬材料的累積損傷與失效模型能更為準確的仿真真實的試驗過程,具有較高的參考價值 ?(2)在動力電池包的開發(fā)設計初期,利用上述有限元仿真手段對動力電池包結構進行預估,能夠有效降低產(chǎn)品研發(fā)成本和風險,縮短產(chǎn)品開發(fā)時間 ?
-
汽車測試網(wǎng)V課堂
-
微信公眾號
-
汽車測試網(wǎng)手機站
廣告
廣告 
