基于有限元的动力电池系统机械性能仿真分析与研究.pdf

2023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计收稿日期：2023-01-04基金项目：2022年国家级大创项目(AH202112216024)；2022年安徽省教育厅重点项目(2022AH051876)作者简介：乔红娇(1988)，女，安徽省人，硕士，高级工程师，主要研究方向为新能源动力电池系统设计分析及智能制造。基于有限元的动力电池系统机械性能仿真分析与研究乔红娇1，宋春雷2，张新宇1，孙 慧1(1.安徽新华学院 智能制造学院，安徽 合肥 230008；2.合肥国轩高科动力能源有限公司，安徽 合肥 230011)摘要：为了探究动力电池系统箱体及其内部结构的安全性能，结合企业某款纯电动汽车动力电池系统的几何模型，对其进行仿真分析。基于有限元分析软件对其进行模态分析、静载荷惯性力分析、机械冲击、模拟碰撞以及挤压分析等，多维度进行仿真分析来综合评判其机械性能。通过仿真分析，可验证该动力电池系统机械性能的安全性和可靠性。该结果也表明了该动力电池系统设计的合理性，对后续该动力电池系统的进一步研究奠定了一定的基础。关键词：动力电池系统；仿真分析；模态分析；静载荷惯性力分析；机械冲击；模拟碰撞；挤压分析中图分类号：TM 912文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)07-0898-05DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.07.016Simulation analysis and research on mechanical performance of powerbattery system based on finite element methodQIAO Hongjiao1,SONG Chunlei2,ZHANG Xinyu1,SUN Hui1(1.Intelligent Manufacturing College,Anhui Xinhua College,Heifei Anhui 230008,China;2.Hefei Guoxuan Hi-Tech Power Energy Co.,Ltd.,Heifei Anhui 230011,China)Abstract:In order to explore the safety performance of the power battery system box and its internal structure,combined with the geometric model of a pure electric vehicle power battery system,the simulation analysis wascarried out.Based on the finite element analysis software,modal analysis,static load inertia force analysis,mechanicalimpact,simulation collision and extrusion analysis,and multi-dimensional simulation analysis were carried out tocomprehensively evaluate its mechanical performance.Through simulation analysis,the safety and reliability of themechanical performance of the power battery system can be verified.The results also show that the design of thepower battery system is reasonable,which lays a foundation for further research on the power battery system.Key words:power battery system;simulation analysis;modal analysis;static load inertia force analysis;mechanicalimpact;simulate collision;extrusion analysis随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，世界各国越来越重视新能源汽车的研发和应用1。而动力电池作为电动汽车最关键的核心零部件，是电动汽车的最重要组成部分，作为能量存储装置和动力来源，直接影响到汽车的安全和使用性能，所以针对电池包性能的研究和分析至关重要2-3。电动汽车存在的安全风险主要来自于动力电池系统，因其具有较高的能量和较大的质量，电动汽车在行驶过程中会因为多种原因导致电池包系统发生机械破坏，如：电池包会在不同路况产生的不同频率激振下产生共振；电池包在不同的行驶工况(路面坑洞、急转弯、加速及刹车等)下，惯性力对电池系统及车身结构产生影响；整车在受到碰撞过程中，伴随着车身结构传递给电池包产生的碰撞和挤压作用；电动车在过坑或者高速转弯等行驶工况下，电动车车身传递给电池包的冲击作用等4-5。本文以某款纯电动汽车车型为研究对象，通过有限元分析软件对该动力电池系统包括电池箱体及其内部结构件进行仿真分析，确保在各种工况和机械载荷的作用下，其机械性能安全可靠，消除存在的安全隐患。因此动力电池系统要满足整车的性能要求，在电池系统开发设计阶段，就要对其进行分析研究。本文将对该动力电池系统进行全方面的机械性能仿真分析，包括对电池系统进行模态分析、惯性力分析、随机振动、碰撞、挤压和冲击等方面的分析，通过对该电池包进行机械性能仿真分析来检验该电池系统设计的安全性和可靠性。1 动力电池系统组成动力电池系统作为一个独立的零部件安装在电动汽车上，为整车提供动力来源。在对其进行结构设计时，首先需要满足基本功能和机械安全，主要从电池箱体、电池成组设计、电池安全和电池热管理系统等方面进行设计6。某磷酸铁锂电池包结构主要包括电池箱体、箱盖、电池模组、BDU、BMS、电池热管理系统、高低压接插件以及一些辅件组成，如图 1所示。其中电池箱体为一个装配体，各板块截面为双层挤压铝形式，主箱体结构通过熔焊和搅拌摩擦焊连接在一起，整个电池箱体为液冷一体化设计，框架采用熔焊焊接，液8982023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计冷板与箱体框架采用FDS工艺，同时使用密封胶辅助密封，底护板与箱体及液冷板螺栓连接。箱盖为PCM模压成型，箱盖四周边缘处设有安装孔，便于与箱体四周安装，本设计箱体箱盖在其四周的安装孔处增加C型衬套，衬套的作用一是避免扭矩衰减，二是有利于保护PCM材料本体。该电池系统模组采用 1P34S 模组组成，一共由 3 个模组组成，共同构成一个1P102S的电池系统，总质量约为230 kg。模组、BDU和BMS均通过螺栓将其固定在电池箱体的底部，且安装牢固可靠。2 电池系统仿真模型的建立本文研究所选的电池包结构包括电池箱体、电池箱盖、带电芯和端板侧板的模组、螺栓衬套、液冷板、底护板、BDU、BMS 以及总正总负的极片等结构，由于该电池系统内部结构较复杂，本论文在进行机械性能分析时忽略了线束的布置。为了提高有限元仿真分析的精度和速度，模型中采用了实体和壳单元相结合的方式7-8。Hypermesh 有限元分析软件具有强大的有限元网格划分前处理功能，应用其前处理模块对该电池系统各零部件进行合理地简化处理并进行网格划分，其处理后的模型如图 2。各承载部件的材料性能参数见表1。图1电池包三维数模图2简化后的电池包模型表 1 电池包主要承载部件的材料性能参数 部件 材料 密度/(106 kgmm3)弹性模量/GPa 泊松比/GPa 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 材料断裂延伸率/%箱体 Al6061-T6 2.70 69.0 0.33 264.0 298 0.119 液冷板 AL3003-O 2.70 70.0 0.33 32.0 114 0.375 箱盖 PCM 1.90 26.5 0.40 500 0.013 底护板 B210P1 7.85 210.0 0.30 250.0 534 0.270 模组端板 AlSi10MnMg 2.70 71.0 0.33 189.0 247 0.033 模组侧板 AL6061-T6 2.70 69.0 0.33 264.0 298 0.119 BMS 支架 AL5052 2.70 70.0 0.33 176.9 260 0.106 根据以往项目中经验模型的支撑来对该动力电池系统进行合理建模处理。电池包箱体结构主要采用焊接和螺栓连接两种装配方式。电池模组与电池箱体内部横梁、电池上箱盖与下箱体、液冷板与电池箱体、BDU 与电池箱体、BMS支架与电池箱体间均采用螺栓连接方式，在 Hypermesh 软件中均采用 RBE2刚性单元来进行模拟；电池底护板与电池箱体主体、上液冷板与液冷板、电池端板与侧板间主要采用焊点连接，在 Hypermesh 软件中均采用 CWELD 单元来进行模拟。通过以上方式对电池包进行合理建模，并成功模拟出不同工况下电池系统的变形和受力情况。合理建模对有限元的分析与计算起到一个关键性的作用。3 电池系统仿真分析关键技术研究电池包的有限元仿真分析是利用有限元软件对电池包的结构强度和可靠性进行验证分析，产品结构的安全性和可靠性直接影响着产品的使用性能9-10。在产品设计研发初期，合理有效的可靠性设计和分析可极大地缩短开发周期，减少投入资金，节约开发成本11，因此需要对该款动力系统进行机械性能可靠性分析。3.1 系统模态分析电池系统模态分析是对系统初期设计合理性的一个简单且有效的判断依据，可以合理地避免因设计缺陷所导致的系统共振问题，以免产生过大的噪声和振动。由电池包模态分析得到其模态频率和振型后进行评价，一般要求是避免电池包一阶模态频率低于路面激励频率9。本文使用 Hypermesh 软件，采用 Block Lanczos 算法对该电池系统进行约束模态分析，约束位置为箱体吊耳和车身安装连接处。根据有限元软件计算出来的一阶模态振型如图 3所示。计算结果表明电池包第一阶固有频率为 35.76 Hz，主要表现为模组Z向上下跳动，结合惯性力结果及GB/T31467.3-2015振动标准，一阶固有频率值大于目标值 30 Hz，因此不会与车体发生共振，说明该系统具有良好的刚度，满足设计要求。3.2 系统静强度分析电池系统静强度分析主要是为了验证电池包结构的强度特性。因此分析电池包结构在极限工况下的应力、位移分布情况，以确保电池包结构的安全可靠性。通常选取X、Y、Z三个方向的极限工况作为研究对象，加速度惯性力的最大幅值作为静态载荷加载在结构上，来计算其应力分布及变形量。根据车辆坐标系的方向来定义电池包的方向，车辆前进图3电池包一阶模态振型8992023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计 表 2 各工况的极限加速度 g 工况 极限加速度 急停(X方向)3 急转弯(Y方向)3 上下颠簸(Z方向)5 的方向为X+，驾驶员左侧方向为Y+，垂直地面向上的方向为Z+8。根据汽车主机厂的数据及要求，定义电池包的 3种极限工况分别为：前进方向 X+的急停制动工况，会产生纵向加速度；左侧方向 Y+的左转弯工况，左转弯时会产生侧向加速度；垂直方向 Z+的上下颠簸工况，通过坑洼路面产生的上下颠簸加速度。结合国标和汽车主机厂的要求，对电池包施加的各种工况下的极限加速度如表2所示。通过上述分析计算，可得电池包在 3种极限工况下的应力和变形量的结果如图46所示。图4X方向应力云图图5Y方向应力云图图6Z方向应力云图由图 46 结果可知：急停 X 方向，箱体最大应力为 8.7MPa，位于横梁螺栓安装孔处，小于评判标准 132 MPa，满足要求；急转弯 Y方向，箱体最大应力为 17.8 MPa，位于模组螺栓安装孔处，小于评判标准 132 MPa，满足要求；上下颠簸 Z方向，箱体最大应力为76 MPa，位于吊耳折弯处，小于评判标准132 MPa；焊接区域的最大应力为62.6 MPa，小于评判标准88 MPa，均满足要求。三个方向的应力均远小于电池包结构件的许用应力，强度满足系统设计要求，由此可见，该电池包的静强度分析满足设计要求。3.3 系统机械冲击性能分析为保证该动力系统的正常工作，GB/T中对电池包的挤压性能也提出了要求。汽车在平整的道路上行驶或者受到冲击碰撞时，该系统会受到巨大的冲击载荷作用13-14。根据标准 GB38031-2020中规定的机械冲击工况对该电池包进行冲击性能分析14-15。具体的分析工况为：在电池箱体的各安装孔处施加半正弦波加速度载荷；Z向冲击：峰值7 g，脉宽6 ms，约束除Z向外其他自由度，Z向正负各6次；仿真仅体现每个方向正负各一次的结果，施加的半正弦波加速度载荷曲线图如图7所示。经仿真可得该电池包的各关键零部件的应力分析结果如表3所示。图7半正弦波加速度载荷曲线图 表 3 电池包各零部件的仿真应力计算结果 MPa 位置 箱体边框 底护板 上液冷板 液冷板(流道板)模组端板 模组侧板 BMS 支架 目标值 264/1.25=211.2 250/1.25=200 54/1.25=43.2 32/1.25=25.6 189/1.25=151.2 264/1.25=211.2 176.9/1.25=140.8 仿真值 109.9 59.4 30.1 22.9 29.8 70.1 63.9 状态 未发生塑性变形 未发生塑性变形 未发生塑性变形 未发生塑性变形 未发生塑性变形 未发生塑性变形 未发生塑性变形 由上述计算结果可知：电池包各结构件应力值均在目标值范围内，均未发生塑性变形，外壳未出现破裂，无起火爆炸风险，满足机械性能安全要求。3.4 系统碰撞性能分析电池包模拟碰撞分析，主要分析电池包在整车碰撞过程中所承受冲击载荷的能力，确保电池包在整车碰撞工况下机械结构安全，电芯不发生起火、爆炸等事故14-15。将该电池包模型在Hypermesh中进行前处理，然后用Ls-dyna求解出该电池包的最大塑料变形。本次模拟碰撞采用的边界条件为：根据GB/T 31467.3-2015的要求，将电池包的各个安装孔处进行约束来模拟固定，然后根据车身质量，对电池包在X和Y两个方向同时施加载荷。具体分析计算工况为：(1)X方向模拟碰撞：各安装孔处，施加规定的 X方向脉冲，施加的脉宽为 120ms，加速度载荷为 28 g，约束除 X 向平动外其他自由度；(2)Y方向模拟碰撞：各安装孔处，施加规定的 Y方向脉冲，施加的脉宽为120 ms，加速度载荷为15 g，约束除Y向平动外其他自由度，其载荷脉冲曲线图如图8所示，其计算分析的结构如表4所示。表 4 电池系统各部件的仿真结果%位置 箱体边框 底护板 上液冷板 液冷板(流道板)模组端板 模组侧板 BMS 支架 断裂延伸率 11.9 27.0 24.1 37.5 3.3 11.9 10.6 X 向仿真值 3.7 0 0 0 0 0 0 Y 向仿真值 2.8 0 0 0 0 0 0 状态 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 9002023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计由表4可知，箱体边框X+方向和Y+方向仿真的结果分别为3.7%和2.8%，小于箱体边框延伸率为11.9%，未发生破裂，满足设计要求。其它关键部件底护板、上液冷板、液冷板(流道板)、模组端板、模组侧板和BMS支架等仿真结果均为0，均未发生破裂，说明满足设计要求，这在一定程度上也验证了模型的有效性。3.5 系统挤压性能分析根据最新强标 GB38031-2020标准中规定了电池包挤压实验检测项，该检测项采用半径为75 mm的半圆柱体作为挤压板对电池包的 X和 Y方向进行挤压，施加的载荷及边界条件为挤压力达到 100 kN或者在挤压方向长度占比达到 30%停止，目标为电池包无爆炸起火风险，则该实验通过14-16。根据国标和客户标准要求，建立电池包挤压分析模型，分别对电池包X方向(汽车行驶方向)和Y方向(垂直汽车行驶方向)采用挤压柱方式进行挤压分析。电池包底部和端部均采用刚性墙体作为支撑，并对刚性挤压柱施加匀速挤压前进的速度。挤压柱位置如图 9和图 10所示(客户要求)，其中绿色模型为半圆形挤压柱：(1)X向采用半圆柱刚性体，其半径 R=75mm，长度 1 m，挤压位置如图 9所示；(2)Y向挤压采用三联拱形式，其尺寸为600 mm600 mm，三个半圆柱半径为75 mm，半圆柱间距为30 mm，挤压位置如图10所示。对建立好的电池包模型进行X方向挤压时，随着挤压的进行，挤压面的接触力不断攀升，当挤压力达到 100 kN 时，挤压柱前进了140 mm，模组端板与箱体横梁最小间隙为5.9mm，电芯不受挤压，满足机械性能及客户要求，仿真结果如图1112所示，且X向各零部件塑性变形的仿真计算结果都在合理范围值内，见表5所示。图8X和Y方向的载荷脉冲曲线图图9电池包X向挤压示意图图10电池包Y向挤压示意图 表 5 电池包挤压分析各零部件塑性变形的仿真结果%位置 箱体边框 底护板 上液冷板 液冷板(流道板)模组端板 模组侧板 BMS 支架 断裂延伸率 11.90 27.0 24.1 37.5 3.3 11.9 10.6 X 向仿真值 6.07 2.7 9.5 17.1 0 0 6.8 状态 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 电芯不受挤压，满足要求 Y 向仿真值 12.7 3.0 3.6 2.8 0 5.0 1.0 状态 发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 未发生破裂 电芯侧面侵入量 2.5 mm，占比 1.69%，小于 2%，仍满足要求 对建立好的电池包模型进行 Y方向挤压时，当挤压力达到 100 kN时，挤压柱前进 11.5 mm，电芯侧面受挤压，电芯原本长度 148 mm，电芯变形后长度为145.5 mm，电芯的侵入变形量为2.5 mm，侵入量占比为1.69%，小于2%，根据主机厂设计要求评估该侵入量不会产生电池包起火爆炸风险，满足机械性能及客户要求，仿真结果如图1314所示，且Y向各零部件塑性变形的仿真计算结果除箱体边框外其余均未发生破裂，见表 5所示。由于 Y向挤压，箱体边框发生破裂，导致电芯发生变形，但其变形量仅为1.69%，小于2%，仍在合理变形范围内，故可说明 Y向挤压性能满足要求。这也为后期对该图11电池包X向挤压力与位移曲线图图12模组受挤压模组端板与横梁间隙位移图9012023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计电池箱体的进一步优化提供了一定的理论基础。4 结论本文介绍了该款动力电池系统的组成，通过对其仿真模型的建立，来对该电池系统进行仿真分析并对其关键技术进行研究。文章基于有限元分别对该动力电池系统进行了模态分析、系统静强度分析、机械性能冲击、模拟碰撞以及挤压性能分析，分析结果表明：该动力电池系统机械性能安全可靠，满足客户和设计需求，同时也验证了该电池系统设计的合理性。该结果可为后续进行系统结构优化和实验以及新型电池包的设计提供一定的理论依据，并且可以辅助考核该电池系统装配在整车时的机械性能，减少开模和实验测试的成本，并为后续该电池系统安全性和可靠性的进一步提高，起到了一定的促进作用。参考文献：1SAHRAEI E,HILL R,WIERZBICKI T Calibration and finiteelement simulation of pouch lithium-ion batteries for mechanicalintegrityJJournal of Power Sources,2012,201:307-3212乔红娇，戴道成，吴宝，等.48 V混合动力电池系统设计及仿真分析J.汽车实用技术，2020(5)：18-22.3SIBZ W,BREITFUC,TOMASCH E,et al.Integration of acrashworthy battery in a fully electric city busJ.InternationalJournal of 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