北汽新能源 | 某电动汽车电池包挤压仿真分析

2020-02-25 14:06:47·  来源:电动学堂  
 
作者单位:北京新能源汽车股份有限公司文章DOI:1561-0349(2017)04-0033-041 引言随着能源的紧缺及环境污染问题的日益加剧,新能源汽车成为当今汽车领域研究的
作者单位:北京新能源汽车股份有限公司
文章DOI:1561-0349(2017)04-0033-04
 
1 引言
随着能源的紧缺及环境污染问题的日益加剧,新能源汽车成为当今汽车领域研究的热点,安全、节能和环保,已成为当前汽车工业发展的三大趋势。和其他交通工具一样,电动汽车必须综合考虑各部件的安全性及使用寿命等方面的要求。电池箱作为电池系统的重要部件,是保证系统安全的重要屏障。GBT31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第三部分:安全性要求与测试方法中,给出了电池系统安全性测试的具体方法。根据反馈电池包挤压测试,经常会出现箱体失稳或严重变形导致的电池模组短路现象,因而引起电池包爆炸起火,是安全性测试中通过率较低的项目。电池系统成本昂贵,如果单纯采用试验方法进行研究,不但增加研发成本还会延长开发周期。随着计算机技术和数值计算方法的快速发展,基于有限元理论的CAE分析技术在动力电池系统安全领域得到了广泛应用,如电池包在极限工况下的静力学分析、模态分析、振动冲击分析、疲劳耐久分析、挤压碰撞分析等。
 
本文针对某纯电动汽车电池包进行挤压仿真分析,对电池箱的结构进行优化,从而提高电池包的抗挤压强度,保证了电池包的安全性。电池包挤压仿真,可为电池系统的安全设计提供有益参考。
 
2 电池箱几何模型
电池包采用CATIA进行三维建模,其模型如图1所示。电池包长1465mm,宽960mm,高270mm。箱盖由DC06钢材冲压成型,箱体为压铸一体成型,材料为ZL104。箱体设有11个固定点与车体连接。经过估算,整个电池箱约重410kg(包括电池、箱体、线束、BMS、接插件等)。
3 有限元模型
为了更好地模拟电池包受挤压后对电池模组、高低压器件及BMS的影响,建立有限元模型时将电池模组采用六面体网格划分,高低压器件及BMS采用四面体网格划分,网格尺寸在(5-10)mm之间。箱体钣金件进行抽中面处理,对中面中存在的残缺破面进行修补。对箱体中的倒角、小孔等进行适当的几何简化,采用四面体单元对箱体模型进行划分,单元尺寸取8mm,整个模型共划分523320个单元、280658个节点。压头及挡板设为刚体,压头半径75mm,长度1000mm,X向、Y向挤压模型分别如图2、图3所示。
4 材料参数
电池模组、高低压器件、BMS及SMC箱盖均采用弹性材料模型,下箱体及模组固定支架等钣金件,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。
5 边界条件及载荷
将刚性墙的3个平动和3个转动自由度进行约束,压头除释放挤压方向的平动自由度外,对其余5个自由度进行全部约束。国标规定挤压力达到200kN或挤压变形量达到挤压方向整体尺寸的30%时停止挤压,并保压10min。为了能够快速求解,设置总的计算时间为0.12s,载荷通过SmoothStep幅值曲线进行施加。挤压力加载曲线见图4。
6模拟结果分析
6.1初始模型挤压结果分析
6.1.1初始模型X向挤压结果分析
图5为电池包X向挤压后的位移云图,箱体最大位移65.1mm,箱体已经和BDU(高压盒)发生接触,有发生短路的风险;图6为电池包X向挤压后箱体的应力云图,箱体最大应力为185MPa,已接近ZL104的抗拉强度,电池包发生破坏的风险较大。
6.1.2初始模型Y向挤压结果分析
由图1可知,电池包初始模型吊耳设计成斜面状,吊耳上宽下窄,直接挤压箱体下部会导致箱体向上滑动,不能有效挤压到箱体,因此Y向挤压时挤压吊耳的上部位置。图7为电池包Y向挤压后的位移云图,箱体最大位移123.6mm,箱体已经和电池模组发生接触,挤压到电池的可能性较大;图8为电池包Y向挤压后箱体的应力云图,箱体最大应力为194MPa,已接近ZL104的抗拉强度,电池包发生破坏的风险较大。
6.2优化模型挤压结果分析
电池包箱体优化后的模型见图9所示,电池模组内部排布发生变化但固定点位置及重量不变。箱体吊耳由原来的斜面改成直面,增大箱体与刚性墙的接触面积,这也有利于提升车辆的碰撞性能。本次仿真时压头挤压吊耳的下部平面位置。
6.2.1优化模型X向挤压结果分析
优化模型X向挤压后箱体变形较小,最大位移1.8mm,见图10所示;图11为电池包X向挤压后箱体的应力云图,箱体的最大应力为136MPa,未超过ZL104的抗拉强度,电池包发生破坏的风险小。
6.2.2优化模型Y向挤压结果分析
优化模型Y向挤压后箱体变形较小,最大位移14.6mm,见图12所示;图13为电池包Y向挤压后箱体的应力云图,箱体最大应力为175MPa,小于ZL104的抗拉强度,电池包发生破坏的风险小。
问题,通过对电池包进行优化设计,降低电池包挤压实验通过的风险,为电池系统的结构安全设计提高有益参考。
7 结论
通过对电池包进行挤压分析,得到了电池包在挤压过程中的位移及应力分布情况,提前发现电池包结构强度存在的问题,通过对电池包进行优化设计,降低电池包挤压实验通 过的风险,为电池系统的结构安全设计提高有益参考。
 
 
分享到:
 
反对 0 举报 0 收藏 0 评论 0
沪ICP备11026620号