電池包側(cè)向擠壓和底部托底的仿真分析研究

朱紅霞，胡 淼，李 欣

(凌云工業(yè)股份有限公司，上海 201708)

新能源汽車是世界汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，它不僅能降低環(huán)境污染，而且推動了汽車產(chǎn)業(yè)升級，并為智能電網(wǎng)建設(shè)助力。新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的同時，其暴露出來的安全隱患問題也不斷成為社會輿論焦點(diǎn)。電動車起火現(xiàn)象屢見不鮮，火災(zāi)事故多因道路異物碰撞或其他機(jī)械載荷造成動力電池包受撞擊、擠壓后電池殼體發(fā)生變形，導(dǎo)致模組電芯、高壓線束等電器元件短路或熱失控起火[1]。

電池包局部擠壓主要體現(xiàn)在側(cè)向擠壓、底部托底兩種典型工況。GB38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》[2]中所涉及的動力電池系統(tǒng)機(jī)械安全性能評判測試主要包括振動、機(jī)械沖擊、擠壓和模擬碰撞。擠壓測試要求擠壓速度不大于2 mm/s，通過有限元軟件進(jìn)行電池包擠壓工況仿真模擬時，若按照實(shí)際試驗施加速度為2 mm/s 的載荷擠壓，由于計算機(jī)性能限制，求解效率低下，不利于快速得出結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計，仿真一般使用力載荷或者較大的速度載荷進(jìn)行擠壓。電池包底部托底指汽車行駛過程中途經(jīng)洼路、減速帶、壓過磚塊石頭等地面突出物時，電池包底部受到擠壓、撞擊或剮蹭，由于道路異物形狀復(fù)雜，暫未形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對電池包底部托底機(jī)械安全性能進(jìn)行測試要求，各類型異物托底嚴(yán)酷性沒有參考比照。本文基于以上兩種工況對某款電池包進(jìn)行了仿真分析研究。

1 仿真分析模型的建立

1.1 電池包建模

研究所選用電池包結(jié)構(gòu)及材料性能如表1 所示，主要包括上殼體、電池模組、下殼體三部分。上殼體材料為SMC；下殼體為鋁擠出型材焊接而成，材料6061_T6，下殼體底板為帶型腔的雙層鋁合金型材；電池模組包括模組電芯、模組端板，端板材質(zhì)6063_T6。Hypermesh 具有強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能，應(yīng)用其前處理模塊對模型進(jìn)行合理簡化處理并劃分網(wǎng)格。電池包上、下殼體網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為4 mm,單元類型為殼單元；電池模組網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為10 mm，單元類型為六面體實(shí)體單元。電池包螺栓連接采用RBODY 單元，焊縫連接使用殼單元；電池模組端板與電芯共節(jié)點(diǎn)連接。

表1 電池包模型及材料性能參數(shù)

1.2 電池包側(cè)擠壓仿真模型的搭建

參照GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》對電池包進(jìn)行擠壓仿真邊界條件設(shè)置。擠壓板設(shè)置為Φ150 mm 的剛性圓柱，圓柱高度大于被測對象高度，小于1 m；電池包側(cè)擠壓方向設(shè)置為y方向；電池包底部、被擠壓側(cè)分別設(shè)置剛性墻約束。目前，電池包擠壓仿真分析一般對剛性圓柱施加力載荷或者較大的恒定速度載荷進(jìn)行擠壓[3-5]，為對比結(jié)果差異，載荷參數(shù)設(shè)置為100 kN 以及2、30、100、200、500 和1 000 mm/s。電池包本體設(shè)置自接觸，電池包與剛性圓柱間建立接觸對，接觸類型選用TYPE7，電池包施加重力。電池包側(cè)擠壓模型見圖1。以上7 種側(cè)擠壓仿真模型分別使用16核工作站和160 核高性能云計算平臺進(jìn)行求解計算，以對比計算時間。

圖1 電池包側(cè)擠壓模型

1.3 電池包底部托底仿真模型的搭建

電池包底部結(jié)構(gòu)損壞的程度與道路異物的幾何形狀、規(guī)格尺寸和碰撞沖擊形式有著密切關(guān)系，由于目前并沒有統(tǒng)一規(guī)范對電池包底部機(jī)械性能測試進(jìn)行要求，故根據(jù)部分企業(yè)要求及檢索的部分重要文獻(xiàn)來設(shè)定電池包底部托底仿真邊界條件[6-10]。

圖2 異物托底位置

2 仿真結(jié)果對比分析

電池包側(cè)擠壓和底部托底工況仿真模型搭建完成后，采用通用有限元求解器RADIOSS 軟件進(jìn)行分析計算，并使用Hyperview/Hypergraph 后處理軟件對計算結(jié)果進(jìn)行處理。

2.1 側(cè)擠壓仿真分析結(jié)果

對于施加恒定速度載荷工況，當(dāng)剛性圓柱與電池包邊框間擠壓接觸力達(dá)到100 kN 時即可停止擠壓計算，擠壓仿真分析結(jié)果見圖3。

圖3 電池包側(cè)擠壓仿真分析結(jié)果

提取7 種側(cè)擠壓工況過程中剛性圓柱的接觸力-時間曲線、側(cè)向位移-時間曲線，擬合獲得剛性圓柱接觸力-位移曲線如圖4(a)所示，電池包側(cè)向加載100 kN 擠壓力時，側(cè)向位移8.86 mm，以施加載荷100 kN 時求解的位移-力坐標(biāo)(8.86，100)為基準(zhǔn)，各速度載荷下擠壓力達(dá)到100 kN 時獲得位移進(jìn)行對比。圖4(b)為電池包擠壓試驗，圖4(c)為2 mm/s 擠壓速度下所提取的擠壓柱力-位移曲線，與以100 mm/s 速度的擠壓仿真提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并以±20%試驗力值作為浮動范圍窗口，由于仿真材料參數(shù)不能完全體現(xiàn)實(shí)際材料性能，及其他各類因素影響，試驗仿真結(jié)果有一定差異，但由圖可見，曲線趨勢具有一致性，當(dāng)侵入量選定90 mm 時，試驗擠壓力約為400 kN，仿真擠壓力約為450 kN，相差約12%。

圖4 剛性圓柱位移-力曲線趨勢

由表2 可知，電池包側(cè)向擠壓分別施加2、30、100、200、500 和1 000 mm/s 速度載荷，擠壓柱接觸力達(dá)到100 kN 時擠壓柱側(cè)向位移分別為8.87、8.85、8.84、8.80、4.78 和4.65 mm，經(jīng)對比可得，當(dāng)擠壓柱接觸力達(dá)到100 kN 時，加載速度值越小，擠壓柱位移與加載擠壓力時結(jié)果越接近；加載速度值為1 000 和500 mm/s 時，擠壓柱位移與加載擠壓力時相差較大。

表2 不同載荷下位移、求解時間對比

相同側(cè)擠壓工況下，160 核高性能云計算平臺計算時間約為16 核工作站的10.9 倍。由于速度載荷值越小，計算求解時間越長，因此在使用速度載荷進(jìn)行側(cè)擠壓分析時，應(yīng)綜合考慮計算機(jī)性能與求解精度，而非一味追求實(shí)際測試條件要求，不計時間成本。

2.2 底部托底仿真分析結(jié)果

電池包托底屬于結(jié)構(gòu)耐久工況，電池包經(jīng)多次托底后各功能均應(yīng)保持正常，要求下殼體底板托底后不能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，電池模組Z方向不受擠壓或擠壓力、擠壓變形量限制在一定范圍內(nèi)。

提取電池包異物托底模擬工況的變形(圖5)、底板塑性應(yīng)變仿真分析結(jié)果進(jìn)行研究對比。由于電池包底板為鋁型材結(jié)構(gòu)，因此分別考察上、下底板變形量(表3)。錐形異物托底類似于鈍刺，條件最苛刻，托底力達(dá)不到25 kN 底板塑性應(yīng)變便會超過材料斷裂延伸率，發(fā)生開裂，錐體會接觸并擠壓模組；其余5 種托底工況下，電池包底板均與模組地面有一定距離，未觸碰電池模組，底板最大塑性應(yīng)變率均小于材料斷裂延伸率，不會發(fā)生開裂。下層底板變形量按長方體、五棱柱、三角柱、Φ150 mm 球體、Φ75 mm 球體次序依次增加，上層底板變形量除長方體托底工況外也按此次序依次增加，底板變形嚴(yán)重程度主要由托底異物尖銳度、托底接觸面積、底板結(jié)構(gòu)特征所決定，同等托底力載荷下，托底異物越尖銳、托底接觸面積越小底板變形大，甚至開裂失效。長方體托底時，雖然托底面積較大，但是上、下層底板間布置的筋特征剛好位于擠壓面上方，下層底板向上移動時，其連接的兩條筋同時推動上層底板運(yùn)動，筋并未發(fā)生明顯彎曲變形，故上下層底板位移量接近。

圖5 電池包底部托底仿真分析結(jié)果

表3 各托底工況下底板變形量

3 結(jié)論

通過對動力電池包側(cè)擠壓進(jìn)行仿真分析得出，施加不同擠壓載荷時，速度參數(shù)在2～200 mm/s 范圍內(nèi)剛性圓柱接觸力達(dá)到100 kN 時擠壓變形量與施加100 kN 力載荷時擠壓變形量數(shù)值一致性很高，兼顧結(jié)果精度與計算時間成本情況下，可以選用施加力載荷或者100 和200 mm/s 速度載荷進(jìn)行仿真分析。通過選用不同形狀幾何物體模擬電池包底部托底工況發(fā)現(xiàn)，托底力為定值時，托底異物尖銳度、托底接觸面大小是影響底板變形量的主要因素，可通過電池殼結(jié)構(gòu)設(shè)計特征、布置形式、連接關(guān)系、加工工藝進(jìn)行改善，或者汽車底部增加防撞梁、底護(hù)板，保護(hù)電池包安全性。

該仿真研究可為電池包側(cè)擠壓分析參數(shù)設(shè)置和異物托底變形評判提供重要參考。由于幾何結(jié)構(gòu)簡化、模型網(wǎng)格尺寸大小、材料參數(shù)性能等都會對仿真計算結(jié)果精度造成一定影響，在借鑒應(yīng)用結(jié)果時需視情況進(jìn)行合理選擇。