動力電池包的擠壓分析研究及應用*

劉靜，李罡，魏丹，熊飛，曾維權

動力電池包的擠壓分析研究及應用*

劉靜，李罡，魏丹，熊飛，曾維權

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

文章基于顯式動力學理論深入的展開了電池包擠壓分析方法研究，并通過仿真分析試驗對標，建立了合理準確的有限元分析模型；通過擠壓仿真分析結果對電池包結構進行了優化設計，并通過臺架試驗驗證了有限元模型與試驗結果良好的一致性，降低了某車型電池包擠壓試驗失敗的風險，通過文章研究建立了合理準確的電池包抗擠壓性能分析方法，提高了電池包的自主研發能力。

動力電池包；擠壓分析；顯示動力學；試驗應用

前言

動力電池包是新能源汽車的核心部件，它集電、熱、機械等于一體。在車輛使用過程中，一方面，動力電池經常處于高壓高電工作狀態下，另一方面由于車輛使用所處環境多變，因此可靠的結構設計對動力電池的安全性來說就尤為重要。動力電池結構不僅需要滿足整車耐久使用要求，特別重要的是還需要滿足國家檢測標準，本文中針對動力電池包在GB/T31467.3-2015[1]中較難通過的擠壓測試項進行了仿真分析及試驗應用研究。

1 基于顯示動態分析的電池包擠壓仿真分析模型的建立

1.1 GB/T擠壓試驗概述

在GB/T31467.3-2015標準中規定了電池包擠壓試驗檢測項，該檢測項采用半徑75mm的半圓柱體對動力電池包的水平X與Y向進行擠壓，當擠壓力達到200kN或擠壓變形量達到擠壓方向的整體尺寸的30%時停止擠壓。若電池包未發生起火爆炸現象則試驗通過。

1.2 擠壓仿真分析精細化模型的建立

擠壓仿真分析有限元建模，除了對電池包的精細建模技術以外，還針對試驗設備擠壓柱、擠壓臺面和墻面進行了合理建模。如圖1所示；動力電池包結構主要包括上下殼體、模組、電器件、水冷系統等；電池包網格大小為1mm，擠壓設備網格大小為10mm，同時對電池包模組及電器件進行配重，與實際設計相符。

圖1 擠壓仿真分析精細化模型

1.3 擠壓仿真材料參數的確定

材料參數輸入各子結構件的彈性模量()、泊松比、密度(/3)，根據材料型號輸入材料應力應變曲線。本文采用Abaqus軟件中的累計損傷與失效材料準則的有限元法來建立擠壓仿真精細化模型[3]。

1.4 模型接觸的確定

在電池和擠壓剛性臺面和墻面間定義接觸，經試驗與仿真標定，不同設備對應的接觸摩擦系數設定值不同。不同擠壓狀態也直接影響了摩擦系數的定義。同時，整個仿真分析精細化模型需要設定全自動接觸，保證與實際試驗過程一致。

1.5 邊界條件及載荷的確定

約束模型中剛性墻體的六向自由度，約束擠壓柱的13456五向自由度，釋放擠壓柱的平動自由度[2]；采用0.1s的計算時間步，對擠壓柱施加平動方向的速度載荷3m/s，使擠壓柱勻速擠壓電池包；通過設置合理的Mass Scale系數（質量縮放法）來調節仿真計算時長與仿真計算精度間的平衡[3]，本文模型中的Mass Scale系數?t=5e-7。

2 電池擠壓仿真分析關鍵技術研究

在擠壓仿真技術初步開展到技術成熟過程中，主要從以下幾個方面對該項仿真技術進行了提高。

2.1 擠壓仿真模型中質量縮放系數（MASS SCALING）的設置及其合理性判斷

圖2 擠壓仿真過程動能與內能輸出曲線

通過設定合理擠壓仿真精細化模型中的質量縮放系數，保障擠壓仿真過程處于穩定的能量分布狀態，提高分析結果可靠性；在工程應用仿真中，通過準靜態仿真模擬動態仿真過程，為提高計算效率，同時保證計算精度，需要設置合理的質量縮放系數，使各擠壓時刻動能都不能超出內能的5%，輸出動能、內能等隨時間變化的曲線，如圖2所示，通過該曲線可直觀判斷該擠壓仿真過程輸出的變形結果是否可靠。

2.2 擠壓仿真分析中摩擦系數的設定

試驗設備不同，電池結構不同對擠壓試驗過程影響較大，擠壓設備平面與電池包接觸區域的不同，仿真精細化模型中定義的摩擦系數也相應不同；如鋼板平面擠壓試驗設備如圖3所示，某鋼板帶滾珠平面擠壓試驗設備如圖4所示；依據設備與電池包的接觸面不同，經過多輪仿真與試驗標定，標定合理的摩擦系數，提升仿真模型的精度。

圖3 某鋼板平面擠壓試驗設備

2.3 擠壓位置的選擇

通過仿真分析，預先判定擠壓位置對結果造成的影響，如圖5圖6做了擠壓位置不同的不同擠壓結果對比，為了使擠壓過程中電池包結構變形不觸碰到模組結構，因此通過仿真可判斷擠壓位置應采用圖5所示位置，經試驗驗證后，其變形結果與仿真一致，如圖7所示；位置的選擇直接決定了電池包擠壓試驗的成敗。

圖5 擠壓某電池包第二根橫梁

圖6 擠壓某電池包第一根橫梁

圖7 擠壓某電池包第二根橫梁試驗結果

2.4 擠壓試驗工裝輔助設計

在擠壓試驗過程中，擠壓變形過程判斷是否提前設計工裝墊塊，保證試驗正常通過。電池包發生旋轉時，設計防旋轉工裝后，電池包無旋轉，可順利完成試驗。分別如圖8圖9圖10所示。

圖8 無墊塊時擠壓仿真

圖9 帶墊塊時，擠壓仿真

圖10 帶墊塊擠壓試驗示意

3 電池包擠壓仿真分析與試驗對標

3.1 某電池包擠壓仿真變形與擠壓試驗后變形一致

圖11 某電池包仿真分析變形結果云圖

圖12 某電池包擠壓試驗

某項目電池在整車X向擠壓時，因能夠承受更大載荷的電池中間位置，放置了易燃易爆的高壓電器盒，擠壓位置定為X向偏右位置，通過仿真分析，擠壓中間位置電池外殼變形會擠壓到電器盒，因此排除了擠壓中間位置的方案，針對擠壓位置進行對比，最終將擠壓位置定在了電池靠右位置；通過標定，試驗設備摩擦系數設定為0.1；擠壓試驗電池包的變形與仿真一致，如圖11圖12所示；且仿真分析電池包承受載荷為200KN時，電池包被擠壓位置的最大位移為315mm，與試驗結果313mm一致。

3.2 某電池包仿真分析抗擠壓結構變形與試驗對標

某電池包內部設計了抗擠壓橫梁框架結構，材料為Q235低碳鋼，經仿真分析，該抗擠壓結構會發生屈服變形導致試驗失敗，經擠壓試驗驗證，該電池包在擠壓過程中起火導致試驗失敗，試驗變形結果與仿真分析橫梁結構變形一致，如圖13圖14所示，再次驗證了分析結果準確性。

圖13 某電池包擠壓仿真分析變形云圖

圖14 某電池包擠壓試驗

4 結論

通過本文研究，基于顯示動力學分析的電池包擠壓仿真技術研究及其應用情況總結如下：

（1）建立了合理的電池包精細化擠壓仿真分析模型，基于顯式動力學，通過控制其質量縮放系數，保證模型結果精確度。

（2）通過仿真分析，可有效預判試驗結果成敗，同時，為擠壓位置的選擇提供了重要參考。在試驗前通過仿真擠壓過程判斷結構是否有平動翻轉以及上下翻轉趨勢，設計合理的工裝，以保證擠壓試驗的正常開展。通過針對不同擠壓設備，設定并校正合理的摩擦系數，大大提高了分析模型精確度；通過分析預選電池擠壓位置，多次計算對比結果定擠壓位置的方案，最大程度提高試驗通過率。

（3）通過仿真分析與試驗驗證，證明了仿真分析模型的準確性，可大大降低電池包在設計過程中反復驗證的成本，縮短了電池包結構設計周期。

[1] GB/T31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分:安全性要求與測試方法[S].北京:中國標準出版社,2015:4-7.

[2] 馮富春,楊重科,李彥良,等.某電動汽車電池包擠壓仿真分析[J].電源世界,2017,33-36.

[3] 賈迎龍,熊飛,劉靜,等.某電動汽車動力電池擠壓仿真與試驗[J].汽車實用技術,2019,14-17.

[4] ImanFaridmehr,MohdHanim Osman, Azlan Bin Adnan,Ali Farokhi Nejad, Reza Hodjati, Mohammad Amin Azimi. Correlation between Engineering Stress-Strain and True Stress-Strain Curve[J].American Journal of Civil Engineering and Architecture,2014,2(1):53-59.

Extrusion Analysis and Application of Power Battery Pack*

Liu Jing, Li Gang, Wei Dan, Xiong Fei, Zeng Weiquan

( Automobile engineering research institute of guangzhou automobile group co. LTD, Guangdong Guangzhou 511434 )

Based on explicit dynamics theory, this paper carried out in-depth research on battery pack extrusion analysis method, and established a reasonable and accurate finite element analysis model through simulation analysis test. The structure of the battery pack is optimized by the simulation results of extrusion, and the good agreement between the finite element model and the test results is verified by the bench test, so that the risk of failure of the extrusion test of a vehicle battery pack is reduced.

Power battery pack;Extrusion analysis;Explicit dynamics theory;Test application

U473.4

A

1671-7988(2019)13-39-04

U473.4

A

1671-7988(2019)13-39-04

劉靜，女，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，新能源結構分析室主任，從事新能源汽車動力電池系統結構優化研究及新能源三電系統結構可靠性分析體系建立工作。

國家重點研發計劃項目（編號：2017YFB0103300）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.015