2022年，我國(guó)新能源汽車銷售688.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)93.4%，市場(chǎng)占有率達(dá)到了25.6%。其中，動(dòng)力電池作為新能源車輛尤其是純電動(dòng)車輛的核心動(dòng)力源，2022年全年，我國(guó)動(dòng)力電池累計(jì)裝車量294.6GWh，累計(jì)同比增長(zhǎng)90.7%。在純電動(dòng)汽車中，電池包系統(tǒng)重量占整車20%以上。一般認(rèn)為純電動(dòng)汽車重量降低10％，續(xù)航里程便可增加約6％。

 

因此，在電動(dòng)汽車高速擴(kuò)張的新時(shí)期，如何給動(dòng)力電池包降重成為汽車研究領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。在動(dòng)力電池系統(tǒng)中，電池殼占系統(tǒng)總重量約 20-30%，是主要結(jié)構(gòu)件，因此在保證電池系統(tǒng)功能安全和車輛整體安全的前提下，電池殼的輕量化已經(jīng)成為電池系統(tǒng)主要改進(jìn)目標(biāo)之一。

 

與普通材料相比，復(fù)合材料以高比強(qiáng)度、高比模量、高耐疲勞性、強(qiáng)抗斷裂能力等優(yōu)異的力學(xué)性能和較輕的密度 成為了動(dòng)力電池包降重的新趨勢(shì)。但是同時(shí)，也為動(dòng)力電池包的有限元仿真帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。南京理工大學(xué)的王麗娟等 [1] 通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)了有效的輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的電池包箱體實(shí)現(xiàn)了 23% 的減重 ; 毛占穩(wěn)等 [2] 將電池包下箱體的材料

替換成了碳纖維復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了有效的減重。

 

本文結(jié)合先前研究者的科研理論、分析方法和 汽車電池包結(jié)構(gòu)特性，以某款電池包整體為研究對(duì)象，利用Abaqus中強(qiáng)大的非金屬?gòu)?fù)合材料本構(gòu)模擬能力，即進(jìn)行電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度耐久性能分析，并為其優(yōu)化方向提供參考。

 

2. 非金屬材料本構(gòu)模型選取

本文涉及的動(dòng)力電池包主要結(jié)構(gòu)件包括上下箱體、液冷板、電芯、電子元器件等結(jié)構(gòu)。其中非金屬材料包括拉擠非金屬下箱體、纖維鋪層上箱體、膠、緩沖墊等。Abaqus 針對(duì)不同非金屬材料提供了不同的材料本構(gòu)模型用于精準(zhǔn)模擬其力學(xué)行為[4]。

 

2.1 拉擠非金屬下箱體

拉擠工藝是一種連續(xù)生產(chǎn)復(fù)合材料型材的方法，它是將紗架上的無(wú)捻玻璃纖維粗紗和其他連續(xù)增強(qiáng)材料，例如聚脂表面氈等，進(jìn)行樹脂浸漬，然后通過(guò)保持一定截面形狀的成型模具，并使其在模內(nèi)固化成型后連續(xù)出模，由此形成拉擠制品的一種自動(dòng)化生產(chǎn)工藝[3]。根據(jù)其材料力學(xué)特性，在 Abaqus 中采用正交各向異性材料本構(gòu)進(jìn)行模擬。正交各項(xiàng)異性材料具有三個(gè)互相垂直坐標(biāo)軸的材料彈性對(duì)稱性，將坐標(biāo)軸 x、y 和 z 分別垂直于三個(gè)材料對(duì)稱，并要求繞這些軸轉(zhuǎn)動(dòng) 180°之后彈性性能不發(fā)生改變。其完整的三維彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系定義見圖 1 所示。

 

 

圖 1. 正交各向異性材料三維彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系定義

 

2.2 纖維鋪層上箱體

該電池包上箱體采用纖維鋪層材料設(shè)計(jì)，采用層壓工藝， 由基體樹脂和玻璃纖維制備纖維復(fù)合材料，用纏繞法制作玻璃纖維單向板，分別采用 0 °，90 °不同鋪層角度制作預(yù)浸料，并固化成型。根據(jù)其材料力學(xué)特性，在 Abaqus 中采用平面應(yīng)力上的正交各向異性材料本構(gòu)進(jìn)行模擬玻璃纖維單向板，見圖 2 所示。并利用 Abaqus/CAE 提供的提供復(fù)合材料鋪層管理器-composite layup 進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，見圖 3 所示。

 

 

圖 2. 平面應(yīng)力上的正交各向異性材料三維彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系定義

 

 

圖 3. Abaqus 中鋪層設(shè)置原理和鋪層管理器

 

動(dòng)力電池包中為了減少金屬連接件并加強(qiáng)密封性能，采用的大量的膠進(jìn)行粘接和密封。其中電芯底部采用導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠與液冷板粘接，橫縱梁之間、邊框與液冷板之間、橫縱量與液冷板之間采用密封結(jié)構(gòu)膠粘接。在 Abaqus 中選取線彈性材料模擬結(jié)構(gòu)膠本體，另外采用 cohesive 接觸模擬膠層與母材的粘接，接觸屬性定義見圖 4。

 

 

圖 4. cohesive 接觸屬性和損傷演化定義

 

2.4 緩沖墊

動(dòng)力電池緩沖墊一般采用硬質(zhì)橡膠緩沖墊，以硅橡膠為基材，加以補(bǔ)強(qiáng)、阻燃等功能填料進(jìn)行改性而成。不含有害物質(zhì)，具有良好的阻燃性，基材高度柔軟的特性可達(dá)到密封、緩沖的作用。由于單體預(yù)壓縮等影響，動(dòng)力電池包中緩沖墊一般處于壓縮狀態(tài)，所以在 Abaqus 中選用超彈性材料定義壓縮曲線來(lái)模擬。為保證其精準(zhǔn)度，需要與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見圖 5 所示，兩者之間的吻合度在 90%以上。

 

 

圖 5. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)壓縮力學(xué)性能對(duì)比

 

3. 有限元仿真

基于上述 Abaqus 材料本構(gòu)的選擇，并結(jié)合電池包詳細(xì)結(jié)構(gòu)，對(duì)電池包進(jìn)行有限元模型劃分，見圖 6。連接部分多為膠接和螺栓連接， 螺栓連接處用的是 rbe2 連接，能較好地模擬現(xiàn)實(shí) 螺栓的固定作用。在電池模組內(nèi)部和模組與水冷板之間使用的是膠接，單元信息如表 1 所示。

 

 

圖6. 電池包有限元模型示意圖

 

表1. 電池包有限元模型單元信息表

 

 

3.1 靜力學(xué)分析結(jié)果

結(jié)合動(dòng)力電池實(shí)際路試工況確定該動(dòng)力電池包靜力學(xué)仿真極限工況，見表 2 所示。

 

表2. 動(dòng)力電池包靜力學(xué)仿真極限工況

 

注：g ——重力加速度，g =9.8 m/s2 。

 

采用 Abaqus 對(duì)表 2 所述的全部工況進(jìn)行求解，并針對(duì)不同的材料分別按照不同的評(píng)價(jià)

體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果見表 3 所示。

 

表3. 動(dòng)力電池包靜力學(xué)仿真極限工況結(jié)果判定

 

 

其中，上箱體的仿真結(jié)果見圖 7 所示，下箱體的仿真結(jié)果見圖 8 所示。

 

 

圖7. 上箱體Tsai-WU理論失效系數(shù)云圖

 

 

圖8. 下箱體S12應(yīng)力云圖

 

3.2 模態(tài)與隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，不僅包括頻率還包括振型。電池包進(jìn)行模態(tài)分析主要是確定各個(gè)零部件的 1 階模態(tài)和整包 1 階振動(dòng)主頻（電芯參與振動(dòng)），以便確定電池包不會(huì)在路面激勵(lì)或臺(tái)架激勵(lì)高能量區(qū)發(fā)生共振。Abaqus計(jì)算隨機(jī)振動(dòng)主要是基于模態(tài)動(dòng)力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)隨機(jī)振動(dòng)載荷產(chǎn)生的應(yīng)力在統(tǒng)計(jì)學(xué)上概率分布。

 

對(duì)不同的材料分別按照不同的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。模態(tài)的計(jì)算結(jié)果見圖 9 和圖 10 所示，隨機(jī)振動(dòng)詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果見表 4 所示。

 

 

圖9. 上箱體1階頻率振型云圖

 

 

圖10. 整包1階頻率振型云圖

 

表5. 動(dòng)力電池包隨機(jī)振動(dòng)工況結(jié)果判定

 

 

 

由模態(tài)計(jì)算結(jié)果可知，動(dòng)力電池上箱體 1 階模態(tài) 34Hz，而整包的 1 階主頻較低在22Hz 左右，處于路面激勵(lì)范圍，并且在國(guó)標(biāo)規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)高能量區(qū)內(nèi)，有較強(qiáng)的共振風(fēng)險(xiǎn)。并且隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算結(jié)果顯示液冷板 Z 向隨機(jī)振動(dòng)損傷達(dá)到 6542，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)限值 1。主要原因是該動(dòng)力電池包液冷板為電芯的主要承力結(jié)構(gòu)，并且電芯采用 CTP 構(gòu)架，并未形成一個(gè)剛度較大的整體結(jié)構(gòu)。

 

 

圖11. 液冷板隨機(jī)振動(dòng)損傷云圖

 

4. 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)有限元仿真的危險(xiǎn)工況，按照 GB 38031-2020 的規(guī)定進(jìn)行電池包 Z 向隨機(jī)振動(dòng)驗(yàn)證。將電池動(dòng)力系統(tǒng)按照實(shí)際裝車的方式通過(guò)工裝（與仿真一致）固定于電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，如圖 12 所示。

 

 

圖12. 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

 

Z 向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后，對(duì)電池箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查測(cè)試。通過(guò)檢查上箱體、下箱體電池模組等結(jié)構(gòu)件情況發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部零部件無(wú)變形、無(wú)開裂等異?，F(xiàn)象。對(duì)箱體進(jìn)行舉升后發(fā)現(xiàn)液冷板出現(xiàn)開裂情況，開裂位置位于橫縱梁與模組之間，與有限元仿真結(jié)果吻合。

 

5. 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與驗(yàn)證

根據(jù)有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。由于動(dòng)力電池液冷板為薄板結(jié)構(gòu)，上下兩層不超過(guò) 3mm，并且采用的 3 系鋁合金具有較低的強(qiáng)度極限。所以應(yīng)該避免液冷板結(jié)構(gòu)承受過(guò)大的載荷與應(yīng)力。改進(jìn)措施如下：

 

1）單體兩側(cè)肩部增加壓板，壓板通過(guò)結(jié)構(gòu)膠與電芯進(jìn)行粘接，讓電芯形成模組。

2）將密封結(jié)構(gòu)膠更改為結(jié)構(gòu)膠，增加硬化后的剛度，提高電池包 1 階主頻。

3）增加電芯兩側(cè)底部結(jié)構(gòu)膠溢膠量，是電芯與橫縱梁、邊框之間形成剛性連接。

通過(guò)以上改進(jìn)措施，重新計(jì)算動(dòng)力電池包危險(xiǎn)工況與模態(tài)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池包 1 階主頻上升至 36Hz，對(duì)比原有結(jié)構(gòu)的 22Hz，上升 39%，靜力學(xué)危險(xiǎn)工況與隨機(jī)振動(dòng)滿足要求，并且通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后，全部結(jié)構(gòu)件無(wú)開裂和明顯變形。

 

6. 結(jié)語(yǔ)

本文利用 Abaqus 強(qiáng)大的非金屬材料本構(gòu)仿真能力，以一款非金屬?gòu)?fù)合材料箱體動(dòng)力電池包為例，在實(shí)際裝配與試驗(yàn)狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行靜力學(xué)危險(xiǎn)工況、模態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)分析，并根據(jù)不同的材料本構(gòu)選用不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，同時(shí)利用隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析的正確性。并且針對(duì)液冷板隨機(jī)振動(dòng)開裂給出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并進(jìn)行驗(yàn)證。

 

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