通过电池包挤压仿真分析,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。
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)。
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。
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。
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 10 min 。为了能够快速求解,设置总的计算时间为 0.12s,载荷通过 Smooth Step 幅值曲线进行施加。挤压力加载曲线见图4。
初始模型分析: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。
初始模型分析:Y向挤压结果分析
由图 7 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。
优化模型:X向挤压结果分析
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。
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。
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。
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