超高強鋼制電池包動態試驗與仿真分析

徐棟愷,楊智輝,肖 華

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999;2.汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室(寶鋼),上海 201999)

我國汽車行業正處于迅速發展時期,為了解決環境污染及能源短缺等問題,電動汽車成為汽車行業中新能源汽車的一大發展方向。不同于傳統燃油汽車,電動汽車碰撞安全性不僅須滿足傳統燃油汽車的碰撞防護要求,還需重點考慮其在碰撞過程中所特有的安全問題。電池包結構的安全性對于整車安全性十分重要,在汽車碰撞過程中,其可能因受到外力沖擊導致結構發生破裂而起火。除此之外,電池包在承受振動、外部載荷和沖擊時,內部電池組模塊具有很大的安全風險[1-2]。然而,隨著電動汽車逐漸提高的續航要求、國家補貼退坡,為了提升整車性能和降低制造成本,汽車輕量化作為國家戰略開始受到重視。

電池包的開發設計一般經過概念設計、詳細設計、有限元仿真驗證、試驗驗證等環節。試驗驗證是評判產生可靠性最重要的一個環節,其中機械沖擊和模擬碰撞測試常是安全性測試中通過率較低的項目,如果僅依靠試驗方法進行驗證,不僅增加研發成本,還會增加時間周期。隨著計算機技術及計算力學等理論的飛速發展,基于有限元理論的CAE分析技術被廣泛應用于電動汽車安全領域[3-4]。冷曉偉[5]對某動力電池箱進行有限元分析,實現了動力電池箱靜態和動態多目標拓撲優化,依據拓撲優化的結果,對動力電池箱的底板進行重新設計,提高了動力電池箱的承重能力。孫昱晗[6]基于簡化后的電池包模型對電池包結構的機械性能進行有限元分析和結構優化,設計出一款較為輕便、結構可靠的電池箱。蘭鳳崇等[7]結合電池包精細化三維模型和有限元仿真手段獲取了與試驗結果匹配的電池包振型及模態,并模擬分析了車載工況下電池包碰撞過程中箱體及內部結構件的變形和應力分布情況。劉瑞慶[8]將碳纖維復合材料(CFRP)應用于動力電池殼體,采用有限元分析方法證明了CFRP在剛性柱碰撞下對電池包有效的保護,使得減輕質量的同時保證電池包滿足一定強度要求。

目前電動汽車電池包的主要輕質材料有高強度鋼、鋁合金、鎂合金和各類復合材料。超高強度鋼板具有表面硬度高,防刺穿能力強,耐磨損等優異的性能,且原材料成本低,在新能源汽車領域發揮越來越重要的作用。使用高強鋼替代普通鋼種,并在保證安全與承載能力的前提下進行減薄,能夠實現車身輕量化[9]。楊新超[10]設計的某商用車高強鋼貨柜相比普鋼貨柜方案結構強度性能得到提升,且輕量化效果顯著。超高強度鋼板的熱沖壓成形技術是減輕車身質量、提高汽車抗沖擊和防撞性能的重要途徑之一,將熱成形鋼應用于車身各關鍵部位,也是各大汽車廠商的重要工作之一[11]。超高強度鋼在電池包的應用,可以在相同條件下,提高電池包的碰撞安全性,滿足電池包輕量化需求。

本文根據國家標準GB 38031—2020對一款超高強鋼制電池包進行了機械沖擊和模擬碰撞試驗,對其安全性能進行評估;依據試驗工況條件對電池包進行精細化建模,采用LS_DYNA軟件對其進行兩種試驗工況的有限元仿真分析,考察電池包箱體的損傷狀態,評估該電池包在兩種工況下是否存在開裂和失效的風險。

1 電池包幾何模型

試驗所采用的超高強鋼制電池包結構如圖1所示。電池包的殼體均采用超高強鋼材,其邊框結合熱輥彎技術進行一體成形制造,而“貫穿式”橫、縱梁采用輥壓工藝制造。

圖1 超高強鋼制電池包實物圖

原電池包電池模組共有32個,分上下兩層,下層18個,上層14個,單個模組尺寸規格(長×寬×高)為355 mm×151.6 mm×108.5 mm,質量為11.4 kg,如圖2(a)所示。試驗時,電池包電池模組采用方形配重塊進行簡化處理,相鄰模組之間采用2 mm鐵塊連接。每個電池包配重塊等效設計為11.4 kg,尺寸為355 mm×151 mm×27.5 mm,材質為Q235,共32個,如圖2(b)所示,4角的孔為螺栓固定孔,固定在橫縱梁上。原電池布局重心主要分布在兩層電池包的中間層,因此,等效配重塊的重心保持在該平面,安裝位置與原電池模組保持一致。

2 超高強鋼制電池包機械沖擊與模擬碰撞試驗

2.1 機械沖擊試驗

2.1.1 試驗設備

機械沖擊試驗采用的設備為三綜合試驗-20T電振動臺,如圖3所示,型號為ES-200-650,頻率范圍為2～2 500 Hz,最大負載質量為2 500 kg,最大加速度為2 980 m/s2。

圖3 三綜合試驗-20T電振動臺

2.1.2 試驗方法

根據GB 38031—2020規定,對電池包施加表1規定的半正弦沖擊波,±z方向每個方向6次,共計12次。由于電池包通過吊耳處的螺栓連接被安裝在整車上,故對吊耳上的螺栓襯套施加半正弦沖擊波形,對結構機械性能進行評估。半正弦沖擊波最大、最小容差允許范圍如圖4所示。

表1 機械沖擊測試參數

圖4 機械沖擊脈沖容差范圍示意圖

2.1.3 試驗結果

試驗過程中,超高強鋼制電池包通過螺栓將吊耳固定安裝在試驗臺架上,如圖5所示。根據試驗標準進行機械沖擊試驗,試驗過程中的沖擊加速度曲線如圖6所示。

圖5 超高強鋼制電池包機械沖擊試驗過程

圖6 超高強鋼制電池包沖擊加載曲線

熱輥彎電池包在機械沖擊試驗后的狀態如圖7所示,其殼體均無破裂、焊點無脫焊現象。變形最大位置在吊耳處,塑性變形5.5%。

圖7 超高強鋼制電池包機械沖擊后狀態

2.2 模擬碰撞試驗

2.2.1 試驗設備

模擬碰撞試驗采用的設備為加速型碰撞模擬系統,如圖8所示,導軌長度為14 m,最大加速距離為1.2 m,減速距離長度為11.044 m,測試托架的安裝面尺寸為2 200 mm×1 400 mm,最大負載質量為1 500 kg。

圖8 模擬碰撞設備

2.2.2 試驗過程

根據GB 38031—2020要求,將電池包通過工裝設備水平安裝在帶有支架的臺車上,根據試驗對象的使用環境給臺車施加規定的脈沖,并落在圖9所示的最大、最小容差允許范圍內。測試方向包括x和y方向。試驗結束后,應在試驗環境溫度下觀察2 h。

圖9 模擬碰撞脈沖容差范圍示意圖

具體試驗開展時進行電池包的x和y方向模擬碰撞試驗。試驗過程圖片和加速度曲線分別如圖10和圖11所示。

圖10 超高強鋼制電池包模擬碰撞試驗

圖11 超高強鋼電池包模擬碰撞加速度曲線

2.2.3 試驗結果

試驗結束后觀察,電池包殼體無破裂、焊點無脫焊現象,如圖12所示。x向模擬碰撞變形最大位置在吊耳處,塑性變形8.3%。y向模擬碰撞變形最大位置在吊耳處,塑性變形7.7%。

圖12 電池包模擬碰撞試驗后狀態

3 電池包有限元仿真分析模型的建立

3.1 電池包建模

應用Hypermesh前處理模塊對模型進行合理簡化處理并劃分網格。整個電池包模型包括邊框、吊耳、底護板、橫縱梁及等效模組等,電池包下殼體采用四邊形單元為主、三角形單元為輔劃分鈑金件,單元尺寸為5 mm×5 mm。等效電池模組采用六面體單元劃分,網格基礎尺寸為15 mm,單元類型為六面體實體單元。電池包螺栓連接采用rb2剛性單元,邊框及底護板之間的焊縫采用殼單元模擬,厚度取兩個連接母材的平均厚度,建立的電池包有限元模型如圖13所示,共280 359個單元。

圖13 電池包有限元模型

電池包的各個部件之間采用自動自接觸*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE-SURFACE,模擬仿真分析過程中內部零部件可能發生的接觸。自接觸是一種典型的單面接觸,主要用作整個電池包模型的接觸設置。

3.2 電池包機械沖擊仿真模型的構建

根據試驗加載條件對電池包進行機械沖擊仿真邊界條件的設置。首先,將所有吊耳安裝孔中心節點創建為一個set集,通過關鍵字*BOUNDARY_SPC_SET約束其除了z向位移以外的全部自由度;接著,對電池包施加重力場作用,加速度大小為9 800 mm/s2,使得整包所有單元均受到重力場的影響;最后,對電池包固定吊耳施加z向沖擊加速度載荷,通過關鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBEDMOTION_SET實現,其載荷曲線與試驗條件保持一致,整個機械沖擊加載加速度曲線和半個正弦波加載曲線如圖14所示。

圖14 機械沖擊加載曲線

3.3 電池包模擬碰撞仿真模型的構建

電池包模擬碰撞包括x向和y向兩種工況,兩個方向的加載加速度曲線如圖15所示。與機械沖擊相似,約束固定吊耳除x向或y向(與模擬碰撞方向相同)以外的全部自由度;并對整包施加重力場;最后,通過關鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBEDMOTION_SET對吊耳處施加加速度載荷,并提交LS_DYNA計算。

圖15 模擬碰撞加載加速度曲線

4 仿真結果分析及對比

超高強鋼制電池包機械沖擊和模擬碰撞工況仿真模型搭建完成后,采用有限元求解器LS_DYNA軟件進行求解計算,并使用Hyperview后處理軟件對計算結果進行查看分析。

4.1 電池包機械沖擊仿真分析結果

參考標準中規定的機械沖擊工況,對電池包進行z方向機械沖擊分析時,由于電池包通過吊耳處的螺栓連接固定安裝在整車上,故對吊耳上的螺栓襯套施加7g/15 ms的半正弦沖擊波形,對結構機械性能進行評估:如圖16所示,電池包呈現內凹運動趨勢,四周吊耳位置位移較大;最大塑性應變發生在安裝吊耳處,為5.7%,小于材料的斷裂延伸率,未發生斷裂失效現象。

圖16 機械沖擊有效塑性應變分布云圖

4.2 電池包模擬碰撞仿真分析結果

圖17和圖18分別為超高強鋼制電池包在x向和y向模擬碰撞仿真分析后箱體的有效塑性應變分布云圖。吊耳局部位置產生明顯的塑性應變,表明在模擬碰撞工況下,該局部區域應力集中,結構發生較大的塑性變形,最大塑性應變為8.2%,小于箱體材料的斷裂延伸率。因此,該超高強熱輥彎電池包箱體不會發生斷裂,電池包不會發生泄漏、著火和爆炸等現象,滿足機械性能要求。

圖17 x向模擬碰撞有效塑性應變分布云圖

圖18 y向模擬碰撞有效塑性應變分布云圖

4.3 試驗與仿真分析結果對比

對比機械沖擊和模擬碰撞試驗及仿真結果,見表2。兩個試驗的應變最大位置均為吊耳。吊耳材料為SAPH440,斷裂延伸率典型值為30%,均未超過斷裂極限,試驗和仿真結果評估安全。機械沖擊試驗最大應變5.5%,仿真最大應變5.7%。x向模擬碰撞試驗最大應變8.3%,仿真最大應變7.9%;y向模擬碰撞試驗最大應變7.7%,仿真最大應變8.2%。仿真與試驗結果較為一致,數值模擬方法可以為機械沖擊和模擬碰撞工況提供指導。

表2 試驗與仿真分析結果對比

5 結論

本文對一種超高強鋼制電池包進行了機械沖擊和模擬碰撞試驗,結果表明該款電池包箱體沒有發生破裂失效現象,能夠有效保護箱體內電池模組安全;通過對電池包進行精細化建模,建立了該款電池包在機械沖擊和模擬碰撞工況下的仿真分析模型,利用LS_DYNA有限元軟件進行求解,結果表明在兩種工況下,電池包箱體的最大塑性應變均未超過材料的斷裂延伸率,結構不會發生破裂失效。電池包機械沖擊和模擬碰撞的高精度仿真分析方法能夠準確地模擬機械沖擊和模擬碰撞試驗,仿真結果與試驗結果對比誤差較小,最大應變誤差0.5%。仿真分析方法可以為電池包產品設計和結構優化提供準確的預測和指導。