有限元在电池仓设计中的应用
目前，针对电池仓结构安全性响应分析的研究主要包括模态、随机振动响应、冲击、跌落、挤压、碰撞等工况分析，以及对应各分析结果进行结构优化设计。1 电池包有限元模型建立1.1 电池包结构及材料特征电池包主要分为电池仓及电池模组两部分，电池仓主要包括前侧板、后侧板、托盘及内架四部分，通过拼焊工艺将四者连接固定。其中，电池仓前侧板及后侧板通过压铸工艺制造，其材质为铸造铝硅合金AlSi10MnMg，相比于传统的铝合金，其表现出重量轻及高韧性的优点。电池仓托盘体积较大，较难实现高压压铸生产，因此选用传统铝合金制备。电池模组主要包括电芯、上下电芯固定架、电池模组外壳及其上盖四部分，电池模组总重量为375kg，电池仓重量为394kg，如图1所示。图1 电池包结构示意图1.2 单元类型及单元尺寸电池仓前后侧板由于形状复杂，且壁厚不一，采用四面体实体划分模型较为合适，且提高计算效率，电池仓托盘与内架与前后侧板相连，因此同样选择四节点四面体实体单元划分，电池包各部件的网格划分大小为10mm。在LS-DYNA前处理中，对于实体单元，选择全积分求解法；对于壳单元，选择Belytschko-Tsay四点全积分壳单元求解法。1.3 部件间连接、边界约束及配重设置由于电池仓前侧板、托盘、内架及后侧板四部分通过拼焊连接固定，因此，采用rigid刚性单元进行部件间连接如下图2(a)所示。为模拟电池包与车架装配的工况，对电池包各螺栓孔建立RBE2单元，后对单元节点施加X、Y、Z 三个方向的平动自由度和转动自由度的SPC约束。其次，为简化电池组的有限元模型，提高求解效率，通过建立RBE3单元并在几何中心上设置CONM2质量单元，施加各电池模组重量载荷25kg，模拟电池仓承载电池模组的功能工况，如下图2(b)所示。图2 电池包有限元模型工况属性设置1.4 材料属性定义案例的电池仓托盘、电池仓内架、电池模组外壳及其上盖材料均为Al-6061，电池仓前侧板与后侧板材料为铸造铝硅合金，电芯固定架为PA6材质，挤压板默认为钢材质。根据LS-DYNA相关的材料手册，在模拟电池包挤压试验仿真前，对电池仓及电池模组各部件设置材料类型及对应编号如下表1所示。表 1 各部件单元模拟类型及材料参数为避免LS-DYNA非线性分析中出现负体积求解错误问题，需要在实体有限元模型表面增设一层薄壳单元，从而提高表面应力精度。因此，对电池仓前后侧板、托盘、内架、电芯固定架以及电芯外壳建立一层薄壳SectShll 单元，材料模型赋予MATL9_NULL壳单元，在材料模型中赋予各部件对应的密度、弹性模量以及泊松比三个参数，根据整机厂有限元分析前处理设置，壳单元厚度设置为0.1mm，从而模拟部件之间的接触，防止有限元模型在仿真过程中变形，产生穿破、断裂等失效情况。2 电池包结构安全性分析2.1 电池仓约束模态分析电池包作为电动汽车上大型系统，其机械振动特性与整车性能密切相关。因此，在设计电池包时，要尽可能提高其一阶模态频率，避免其与汽车行驶路面不平引起的激振频率重合，造成共振损伤。在约束模态分析中，约束边界设置与1.3中图2一致，对各螺栓孔设置6个自由度的SPC约束以及在RBE3单元上施加单个电池模组的重量。电动汽车行驶过程中，所受的激振主要源于两方面，驱动电机的振动以及路面不平引起的激振。驱动电机的激振频率通常低于25Hz。根据相关研究表明，当汽车以不高于100km/h的速度在国内城市工况的平坦路面上行驶时，其激振频率为27.78Hz。两个主要激振源产生的激振频率均小于 30Hz，因此，选取一阶模态频率大于30Hz作为电池包安全标准。如图3所示为电池仓一阶模态对应的振型云图。电池仓的一阶固有频率为 77.8Hz，满足安全要求，存在安全余量，具有一定的轻量化设计空间。图 3 电池仓一阶约束模态振型图2.2 电池箱随机振动仿真分析根据GB/T-31467.3-2015，电池系统要经受X、Y、Z三轴向随机振动载荷 21h，在新国标GB38031-2020中则要求三轴向随机振动载荷时长为12h，在相同的频率情况下，相比于新国标，旧国标的振动能量更大，采用旧国标进行随机振动试验对动力电池而言要求更加苛刻，因此采用旧国标GB/T-31467.3-2015评价电池仓随机振动响应特性。按照GB/T-31467.3-2015随机振动试验载荷要求的PSD功率谱密度曲线作为载荷输入如表2所示，对电池仓进行X、Y、Z三个方向的随机振动分析。表 2 各轴向功率谱密度-频率关系为了模拟随机振动试验要求，在电池仓前侧板、托盘以及后侧板螺栓孔处约束其6个方向自由度。采用RBE2单元将各螺栓孔中心节点汇集到载荷节点。在载荷节点施加SPC约束以及SPCD加速度载荷。如下图4所示，为电池仓X、Y、Z 三轴向对应的随机振动RMS应力均方根值云图。图 4 电池仓各轴向随机振动分析结果由于工程中随机振动被视为一种正态分布的振动，需结合正态分布置信区间的概念，评价电池箱在随机振动分析的性能。在该分布中，高σ激励发生的概率很低，基于此特点，实际计算中一般取3σ为上限。如下表3为电池仓各轴向随机振动激励下的RMS应力以及3σ等效应力。电池仓的前后侧板材质AlSi10MnMg屈服强度为140MPa，托盘材料Al-6061屈服强度为240MPa，三个方向上电池仓的随机振动3σ等效应力均没有超过材料的屈服极限，因此满足安全要求，且具有一定的轻量化设计空间。表 3 电池仓各轴向随机振动应力结果2.3 电池包挤压试验分析案例依据GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》的侧面挤压安全性分析，展开挤压板对电池箱侧向（垂直于汽车行驶方向）挤压试验安全性分析。该挤压板由三个半径为75mm 的半圆柱体组成，半圆柱体间距为30mm。当挤压力达到100kN或挤压变形量达到挤压方向整体尺寸的30%时停止挤压。电芯的安全性也是挤压试验中重要的评价指标。对电芯的安全评价要求为：变形量达到15%时，电芯不发生起火和爆炸。对于 18650电芯而言，即要求变形量达到2.7mm时无起火爆炸现象发生，则电芯满足安全性要求。对电池仓进行侧面挤压力仿真分析，以验证电池仓对电池模组的安全防护性能。如下图5所示。对有限元模型进行前处理设置。接触设置包括电池仓与刚性柱之间的*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接触，电池模组内部各部件之间的*CONTACT_SINGLE_SURFACE 接触。保留靠近挤压板的三组电池模组，以分析电池模组受挤压板侧面挤压后的变形量。计算时长设置为120 ms，导出 k 文件，后导入LS-DYNA进行求解计算。图 5 电池仓侧向挤压有限元模型输出RCFORC*挤压力-时间关系曲线如图 6(a)所示，侧面挤压板挤压力为100kN时，计算时间达到0.612ms。输出5ms 时电池仓的侧面挤压变形云图如图6(b)所示，电池仓最大挤压变形量为5.32mm，电池仓挤压方向上的尺寸为1711.1mm，挤压变形量远小于挤压方向上电池仓尺寸的30%，因此电池仓满足挤压试验安全要求。输出电芯的侧向挤压变形云图如图 6(c)所示，分析结果表明，电芯的最大挤压变形量为0.249mm，远小于 18650电芯的安全变形阈值2.7mm，即电池仓在侧向挤压试验中能有效防护电池模组。(a) 电池仓所受侧向挤压力与时间关系曲线(b) 电池仓侧向挤压变形云图(c) 电芯侧向挤压变形云图图 6 电池仓侧向挤压分析结果2.4 电池仓随机疲劳寿命仿真分析由于电动汽车在行驶过程中受垂直方向上的颠簸较多，因此主要关注Z向随机疲劳寿命分析结果。在nCode DesignLife疲劳分析软件中，导入电池仓 Z向频响分析结果，后输入Z向随机振动PSD加速度功率谱密度。参考相关文献的研究方法，根据GB/T-31467.3-2015振动要求，Z向振动试验时间持续21h，关联Z向的振动PSD谱并定义循环次数75600（表征振动时间 21小时）。依据Miner的线性累积损伤理论结合材料的S-N曲线，采用 Dirlik频域分析法，分析以ABS MaxPrincipal 为应力输入，预测电池仓的疲劳失效出现位置。如图7所示为电池仓随机振动疲劳寿命分析结果，如下表4所示为电池仓各部件随机疲劳寿命最小值，结果表明，各部件疲劳寿命最小值远大于目标疲劳寿命值1，满足安全要求。图 7 Z 向电池仓随机振动疲劳寿命云图表 4 电池仓各部件最小随机振动疲劳寿命值3 电池仓拓扑优化设计 3.1 电池仓拓扑优化分析通过上述各项安全试验表明，电池仓满足安全要求且能有效防护电池模组，即说明其具有一定的轻量化设计空间。因此，通过 OptiStruct 求解器对电池仓进行拓扑优化分析，优化目标设定为电池仓的一阶模态最大化，满足该优化目标的前提下对电池仓进行减重。考虑到电池包前侧板与后侧板通过压铸工艺制备，其结构复杂，壁厚不均，设定其为非优化区域。其次，将电池包前后侧板、内架以及电池托盘之间存在的rigid连接涉及到的网格，电池仓上所有螺栓孔涉及到的网格划分为非优化区域，避免影响电池仓各部件的连接固定以及电池仓在车架上的固定。电池仓内架、托盘剩余部位则划分为优化区域，如图8(a)所示，红色部分为非优化区域，紫色部分为优化区域，黄色部分为电池仓上相关约束区域。经过35次迭代后，如图8(b)所示为电池仓拓扑优化密度图，红色部分为保留区域；优化后一阶模态频率52.66Hz。为验证优化结果的可靠性，根据OptiStruct 求解得出的拓扑优化密度图对电池仓进行结构轻量化设计，优化后电池仓重量从394kg降低至360.6kg，轻量化率达到8.48%。(a) 电池仓拓扑优化区域划分(b)电池仓拓扑密度云图3.2 拓扑优化可行性验证对优化后电池仓结构再次进行模态分析、随机振动分析、侧向挤压分析以及随机疲劳寿命分析。如图9(a)所示为优化后一阶模态振型图，一阶模态频率为56.51Hz，满足模态安全要求。如表5所示为优化前后电池仓各向随机振动RMS 应力值，均未达到电池仓材料强度极限。如图9(b)(c)所示为拓扑后电池仓及电芯侧向挤压仿真结果，计算时间为 0.64ms 时，电池仓受到 挤压板的侧向挤压力达到100kN。电池仓侧向最大 挤压变形量为0.26mm，挤压变形量远小于挤压方 向上电池仓尺寸的 30%；电芯最大挤压变形量0.24 mm，远小于18650电芯的安全变形阈值 2.7mm。如图 9(d)所示为拓扑后电池仓随机疲劳寿命云图，如表6为优化前后电池仓各部件随机疲劳寿命结果对比，结果表明，优化后电池仓随机疲劳寿命 最小值主要集中在电池仓内架部位，其最小值为3.31大于目标疲劳寿命值，满足安全要求。(a)优化后电池仓一阶模态振型云图(b)拓扑后电池仓侧向挤压变形云图(c)拓扑后电芯侧向挤压变形云图(d)拓扑后电池仓随机疲劳寿命云图图 9 优化后电池仓安全试验仿真分析表 5 优化前后电池仓各轴向随机振动应力结果表 6 优化前后电池仓随机疲劳寿命最小值结果网络整理，仅限内部分享，禁止商用公 众号：机电君来源：机电君
