1 概述
电池包作为新能源汽车的动力来源,自身的稳定性关乎到车主的人身安全。而电池包箱体是保证电池组模块正常工作的重要装置,可以提供安装空间并承受振动、外部载荷及冲击。在GBT 31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法中,明确指定了电池系统安全性测试的详细步骤。电池包机械冲击测试作为安全性测试中通过率较低的项目,如果仅依靠试验方法进行验证,考虑到电池系统的昂贵成本,在增加研发成本的同时,还会增加时间周期。随着科学技术的飞速发展,计算机技术、计算力学等方面的理论越发成熟,基于有限元理论的CAE分析技术被广泛应用到动力电池系统安全领域。比如在极限工况下的振动分析、机械冲击分析、跌落分析、挤压分析等。
本论文应用HyperMesh前处理软件对某一款电池包进行网格划分并利用Radioss求解器进行机械冲击分析,根据求解结果判定电池包局部强度达不到安全性要求。基于仿真结果,运用积累的工作经验,对电池包的结构进行优化,以提高电池包的抗机械冲击强度,保证电池包的安全性能。此仿真和优化过程,可以为电池包的设计提供有力参考。
2 电池包几何模型
电池包采用UG软件进行三维建模,整包模型如图1所示。电池包长约2m,宽约1.5m,高约0.3m。上壳是SMC复合材料,采用模压工艺制作。下壳体为铝型材和压铸件拼焊而成。电池包上的车身安装点有21个。经过测重,整个电池包的重量为530KG,其中包括模组、壳体、接插件、线束等。
图1 整包模型
图2 电池包内部结构
3 电池包有限元模型的建立
3.1 模型建立及材料选用
在保证仿真结果的精度前提下为了减少仿真所需时间,建立有限元模型时,采用六面体网格粗略划分电池模组,网格尺寸为12mm,对底板和边框进行抽中面处理,网格尺寸为4mm,利用HyperMesh对中面上存在的破损面进行修补。对于压铸件,整体采用抽中面处理的方式,局部厚度大的地方用六面体实体网格进行加厚。为了减少计算时间,对模型上对整体力学性能影响不大的小孔、倒角和小凸台进行了简化。整个仿真模型网格数量为1,054,231个。其中,三角形网格数量为5797个,四边形数量为1016,766个,六面体网格数量为28,815个,五面体网格数量为2759个,刚性连接单元数量为94个。
图3 电池包有限元模型
3.2 材料参数
电池模组和SMC箱盖采用弹性材料模型,下壳体、模组端板、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。
表1 材料参数
4 模拟工况和国标要求
电池包的机械冲击仿真分析是为了评价纯电动汽车在减速、加速、驶过颠簸路面等工况下,电池包抵抗变形和破坏的能力,根据计算得到的应力和应变结果,来判定电池包抵抗机械冲击载荷的能力是否满足国标要求。根据GB/T 31467.3-2017《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法》中的规定,对电池包施加25g、15ms的半正弦冲击波,z轴方向冲击3次,观察2h。要求电池包系统无电解液泄漏、着火或爆炸的现象。这就要求电池包的底板和模组安装筋要有足够的强度,在25g的加速度作用下变形量不能过大,否则会造成电池包内部的零部件破坏。机械冲击的曲线如图4所示。
图4 机械冲击施加的加速度曲线
5 模拟结果分析
图5为电池包机械冲击后的应力云图,最大应力出现在下壳体上,位于下壳中部横梁与底板安装筋的焊接处,最大应力为307.6MPa,超过6061-T6的屈服强度260MPa,此处的塑性应变结果为11.9%,如图6所示,超过了材料的断裂延伸率,横梁发生破裂风险很大。
图5 下壳体应力云图
图6 下壳体应变云图
6 优化方案冲击结果分析
6.1 优化方案
针对机械冲击过程中,下壳中部横梁与底板安装筋的焊接处应力过大的现象,在此外增焊一块铝板,用来分散应力。结构如图7所示。
图7 优化后结构
6.2 优化模型机械冲击结果分析
优化模型后,再次进行机械冲击分析,应力结果如下图8所示,下壳最大应力为258MPa,位于底板前端模组安装筋切口处,材料为6005-T6,未超过6005-T6的屈服强度260MPa。铸铝件最大应力为121.4MPa,应力结果如下图9所示,位于电池包后端铸件与底板的焊接处,未超过AlSi10MnMg的屈服强度140MPa,下壳无破裂风险。
上壳最大应力为25.8MPa,应力结果如下图10所示,位于法兰与立面的相交处,未超过SMC的屈服强度80MPa,上壳无破裂风险。
图8 优化后下壳最大应力
图9 优化后铸件最大应力
图10 优化后上壳最大应力
7 结论
通过应用Altair公司的Radioss求解器对电池包进行机械冲击分析,得到了电池包在机械冲击中的应力及应变的分布情况,提前预知了电池包在结构强度方面存在的问题,通过对电池包结构进行优化设计,提高了电池包的抗冲击能力。通过仿真,缩短了开发时间,节约了开发成本,确保认证测试一次性通过,为电池系统的结构安全设计提供了有益参考。