謝智恩 鄭海超 蔣順軍

摘 要：電池箱包在電動(dòng)汽車的行駛過程中會(huì)遭到碰撞、擠壓等機(jī)械破壞，因此，本文通過SolidWorks軟件的三維建模功能及Simulation模塊模擬了電池包在汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)承載和變形的狀態(tài)，并且通過掃頻實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確保了有限元模型的準(zhǔn)確性，為電池包擠壓和承載等工況的有限元分析提供準(zhǔn)確的模型支撐。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;電池箱體;有限元

中圖分類號(hào)：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）08-0116-03

Operating Condition Analysis of Power Battery Case Based

on SolidWorks Simulation

XIE Zhien ZHENG Haichao JIANG Shunjun

（College of Information and Mechanical & Electrical Engineering， Ningde Normal University，Ningde Fujian 352100）

Abstract： The battery case will be damaged by collision， extrusion and other mechanical damage during the driving process of electric vehicles. Therefore， this paper simulated the load-bearing and deformation state of the battery case when the vehicle was moving through the three-dimensional modeling function and simulation module of SolidWorks software， and ensured the accuracy of the finite element model through the results of frequency sweep experiment， which provided a reference for the finite element analysis of the extrusion and load-bearing conditions of the battery case Meta analysis provides accurate model support.

Keywords： electric vehicle;battery box;finite element

隨著環(huán)境污染和能源短缺的問題越來越嚴(yán)重，新的清潔能源和環(huán)保的能源利用方式開始被重視并投入使用。在汽車的研究領(lǐng)域，新能源汽車成為研究焦點(diǎn)。自“十三五”期間，我國新能源汽車的產(chǎn)銷快速增長(zhǎng)。未來汽車的發(fā)展核心仍然是節(jié)能、環(huán)保和安全，如電動(dòng)汽車、太陽能汽車、氫能等新能源汽車，都可能是很好的發(fā)展方向和解決之道[1]。但是，純電動(dòng)汽車的發(fā)展仍然存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，而其風(fēng)險(xiǎn)主要來自動(dòng)力電池系統(tǒng)。目前，純電動(dòng)汽車上使用的電池系統(tǒng)主要是由若干個(gè)模組（若干個(gè)鋰電池組成模組）和其他元器件及線路裝配成而成的動(dòng)力電池箱包。動(dòng)力電池系統(tǒng)自身能量很高，雖然質(zhì)量很好，但是在汽車運(yùn)行中可能會(huì)存在多種因素導(dǎo)致其受到機(jī)械破壞。產(chǎn)生機(jī)械破壞的原因通常包括：當(dāng)汽車運(yùn)行在不同路況的路面上時(shí)，路面反饋的不同頻率激振會(huì)使電池包產(chǎn)生共振;整車在受到碰撞或者顛簸路況時(shí)，會(huì)受到基于車身結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)產(chǎn)生的擠壓的作用力;電動(dòng)汽車在剎車時(shí)，由于汽車本身重量的慣性及急轉(zhuǎn)彎等情況傳遞給電池包沖擊荷載等[2-3]。電池包是電動(dòng)汽車的主要部分之一，在整車中的重量比例大概在60%，而電池箱在對(duì)保護(hù)電池方面發(fā)揮了主要作用，因此對(duì)電池箱的使用年限以及安全性能提出了更高的要求。隨著科技的進(jìn)步，數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，因此以有限元理論作為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）在汽車研究中的應(yīng)用越來越普遍。針對(duì)動(dòng)力電池箱而言，主要是借助于CAE分析技術(shù)完成在極限荷載條件下對(duì)電池箱的動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)分析，除此之外，還要完成以形貌和拓?fù)鋬?yōu)化為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本課題借助有限元完成對(duì)我國某電動(dòng)汽車電池箱的分析，并分析電動(dòng)汽車在顛簸路況極限荷載下運(yùn)行時(shí)電池箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高電池箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。除此之外，通過模態(tài)對(duì)電池箱進(jìn)行分析，獲取在預(yù)應(yīng)力以及自由狀態(tài)下電池包的振型以及固有頻率，電池箱的固有頻率全部高于路面激勵(lì)頻率，因此在抗震上表現(xiàn)出良好的性能。

1 電池箱有限元模型的建立

本研究借助SolidWorks軟件完成對(duì)電池箱體的三維模型建模。為了減少有限元模型進(jìn)行前處理的工作量，在保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確率的前提下，在建立有限元模型時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了結(jié)構(gòu)的圓角、倒角及工藝孔等特征，刪除了電線及繼電器等非箱體結(jié)構(gòu)的部件。

2 模型可行性驗(yàn)證

當(dāng)存在和電池包固有頻率相接近的頻率的外部刺激對(duì)其產(chǎn)生作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)共振的現(xiàn)象，還會(huì)導(dǎo)致電池包遭到破壞，借助模態(tài)分析能獲取電池包的模態(tài)模型以及固有頻率，這兩個(gè)指標(biāo)是表征電池包剛度以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最主要的指標(biāo)[5]。同時(shí)，為了能借助有限元完成對(duì)電池箱包安全性的分析，還要驗(yàn)證建立的有限元模型的準(zhǔn)確性。而比較掃頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元模態(tài)分析結(jié)果，能保證建立的模型的可行性。建立的有限元的模型中，使用網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)取代箱體底板攪拌摩擦焊位置，通過綁定的方式將電芯與模組端板之間進(jìn)行連接，全都使用Rbe2將支架、模組以及箱體連接起來，使用實(shí)體網(wǎng)格取代模組內(nèi)部膠粘的電芯，剩余的零部件之間全使用通用接觸定義。借助有限元對(duì)電池包掃頻的一階頻率為3 299 Hz，而通過實(shí)驗(yàn)的方式則為3 341 Hz，兩者之間存在的誤差僅僅是1.26%，同時(shí)，一階振型表現(xiàn)出電池包系統(tǒng)沿[Z]向跳動(dòng)，完全符合系統(tǒng)提出的要求。因此，該掃頻實(shí)驗(yàn)也完成了對(duì)有限元模型準(zhǔn)確程度的驗(yàn)證，即該有限元模型能夠用于評(píng)估其他機(jī)械性能。

3 工況分析

3.1 電池包擠壓工況分析

當(dāng)電動(dòng)汽車整體受到外部碰撞時(shí)會(huì)使電池包受到擠壓，為了考察產(chǎn)生的擠壓影響，通過擠壓柱產(chǎn)生橫向擠壓完成對(duì)車架防護(hù)欄對(duì)電池箱包的擠壓滲入影響的模擬[4]?！峨妱?dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第2部分：高能量應(yīng)用測(cè)試規(guī)程》（GB/T 31467—2015）對(duì)電動(dòng)汽車使用的鋰電池動(dòng)力蓄電池包的擠壓測(cè)試規(guī)定中，要求使用半徑為75 mm，長(zhǎng)度長(zhǎng)于被測(cè)電池箱包的高度的半圓柱體，進(jìn)行[X]向和[Y]向的擠壓，擠壓程度為擠壓力達(dá)到100 kN。借助SolidWorks軟件完成電池包擠壓分析模型的建立，建立的擠壓模型中，汽車的行駛方向作為[X]方向，[Y]方向與之相互垂直，為擠壓柱布置的方向。在軟件Simulation中將擠壓柱設(shè)置成剛體，并且設(shè)置擠壓柱和箱體之間的零部件接觸和相觸面組，將剛性墻全都作為電池包的端部和底部的支撐，以勻速前進(jìn)的方式向剛性擠壓柱施加100 kN力量。

[X]向擠壓結(jié)果如圖1所示。在[X]方向上，由擠壓柱向電池包施加擠壓力量，當(dāng)擠壓力達(dá)到100 kN時(shí)，[X]向的最大擠壓應(yīng)力未超過材料的屈服力。模組和電池包箱體之間還存在距離，模組與擠壓柱端模組之間的距離在受到擠壓后大約縮至9 mm，模組和剛性墻端之間的最近距離大約縮至38 mm，它們之間存在足夠的距離，同時(shí)還能保障電池包斷路單元和模組都不會(huì)受到擠壓作用，也就是電池包不可能發(fā)生爆炸和著火，完全符合機(jī)械性能提出的要求。然而，電池包受到擠壓作用之后，形狀發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致剛性墻端側(cè)框可能會(huì)發(fā)生撕裂，特別是接插件突出的地方，容易出現(xiàn)撕裂凹陷等現(xiàn)象，因此，需要借助絕緣材料在總正、總負(fù)等一部分銅排附件的位置設(shè)計(jì)隔離層，從而讓其完全隔離。

[Y]向擠壓結(jié)果如圖2所示。在[Y]方向上，由擠壓柱向電池包施加擠壓的力量，當(dāng)擠壓力達(dá)到100 kN時(shí)，[Y]向的最大擠壓應(yīng)力未超過材料的屈服力。模組和電池包箱體之間還存在距離，模組和箱體側(cè)框之間的最近的距離大約縮至27 mm，它們之間存在足夠的距離，能保障電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）和模組都不會(huì)受到擠壓作用，也就是電池包不可能發(fā)生爆炸和著火。同時(shí)，將電池箱在遭受擠壓狀態(tài)下對(duì)強(qiáng)度提出的要求考慮在內(nèi)，把三角塊安裝于電池包的模組安裝梁與側(cè)框之間作為支撐，將電池包在[Y]方向上受到擠壓時(shí)的剛度進(jìn)一步提高，防止在遭受擠壓時(shí)安裝梁端部的形狀發(fā)生較大改變[5]。

3.2 電池包承載工況分析

給電池箱底板以300 kg的質(zhì)量，即在外部荷載中添加的力值約為2 942 N，通過有限元分析，在29.43 m/s2加速度下的應(yīng)力云圖如圖3（a）所示，云圖顯示應(yīng)力主要集中分布在安裝點(diǎn)和底板橫梁與殼體進(jìn)行焊接的地方，并且最大應(yīng)力為32.1 MPa，低于材料的屈服力，滿足使用條件。

承載工況的位移云圖如圖3（b）所示，因?yàn)殡姵氐馁|(zhì)量相對(duì)均勻地分布在下底板上，所以變形的主要位置在底板的中心位置，且最大變形量為1.81 mm。因?yàn)樵谶M(jìn)行模擬分析時(shí)留有一定的安全余量，所以滿足使用要求。

4 結(jié)語

本文通過SolidWorks軟件的三維建模功能及Simulation模塊模擬了電池包在汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)承載和變形的狀態(tài)，并且通過掃頻實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確保了有限元模型的準(zhǔn)確性，為電池包擠壓和承載等工況的有限元分析提供準(zhǔn)確的模型支撐?；赟olidWorks Simulation的有限元分析功能，模擬不同工況的機(jī)械性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池包設(shè)計(jì)上的不足，避免安全隱患，并且減少開模及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的成本。

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