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一套新能源汽车整车碰撞动力电池PACK仿真分析

仿真圈

6月前浏览8335

一、导读

一提到新能源汽车，大家最为担心的就是安全问题，图1为某款电动汽车碰撞起火现场，图2为某款电动汽车碰撞起火后事故现场。

图1

图2

虽然该车出厂之前，相关工作人员对动力电池进行了挤压、针刺、撞击等安全性测试，但舆论仍认为此事暴露了纯电动汽车在电池安全方面仍然存在问题。

由于在纯电动汽车的碰撞事故中，动力电池受到撞击和挤压引起变形，电池包内部其它部件在碰撞中也可能会受到挤压和冲击，有发生短路甚至起火爆炸的危险。因此，电动汽车在研发阶段必须进行严格的仿真分析和实验测试。

某新能源汽车电驱动技术主被动碰撞测试

2、动力电池PACK仿真需求

表1 动力电池PACK分析项目

分析对象	仿真需求
动力电池PACK	模态分析
	静强度分析
	刚度分析
	碰撞分析
	跌落分析
	挤压分析
	冲击分析
	振动分析
	疲劳分析

3、动力电池PACK仿真要点

1、模态分析

① 模态分析目的：动力电池pack模态分析是了解电池包箱体固有频率，动力电池PACK受激共振可产生的大变形也可能引起电池包内部电连接的失效、短路甚至起火等影响汽车正常运行，因此须对动力电池pack进行模态分析，通过设计避免电池包与车体产生共振。

② 模态分析使用的软件工具：动力电池pack模态分析在Hypermesh中进行前处理，然后利用Optistruct计算出固有频率。

③ 约束模态分析边界条件：由于动力电池pack低阶模态对结构动态性能影响大，因此，动力电池pack模态分析抽取前十阶固有频率。约束托脚螺栓孔节点 X、Y、Z 方向的平动自由度和转动自由度，如图3所示。

图3 动力电池pack模态分析模型

2、静强度分析

① 静强度分析目的：动力电池pack静强度分析目的是了解汽车在城市中比较常见的工况：过减速带颠簸工况、颠簸紧急制动组合工况、急颠簸急转弯组合工况时，电池模块晃动产生的惯性冲击力作用于箱体内壁，电池箱体产生的应力和变形情况。

② 静强度分析使用的软件工具：动力电池pack静强度分析在Hypermesh中进行前处理，然后利Optistruct求解出电池箱体产生的应力和变形结果。

③ 静强度分析边界条件：定义坐标系，X正向指向垂直颠簸方向，Y正向指向车辆行驶方向，Z正向车辆转弯方向。约束电池包螺栓孔节点的X、Y、Z方向的平动自由度。如表2所示。

表2 各种工况载荷

工况	X向加速度	Y向加速度	Z向加速度
颠簸	3g
颠簸制动	3g	1g
颠簸急转弯	3g		0.8g

3、刚度分析

① 刚度分析目的：刚度分析的目的是发现动力电池pack在扭转或者弯曲载荷作用下，电池箱体容易产生破坏的地方。

② 刚度分析使用的软件工具：动力电池pack静强度分析在Hypermesh中进行前处理，然后利Optistruct求解出动力电池pack在扭转或者弯曲载荷作用下电池箱体的应力分布云图。

③ 刚度分析边界条件：约束电池包后左螺栓孔节点和后右螺栓孔节点的X、Y、Z方向的平动和转动自由度，在前左安装孔和前右安装孔位置施加大小为 1000N、方向相反两个集中力，如图4所示。

图4 动力电池pack刚度分析模型

4、挤压分析

① 挤压分析目的：动力电池pack挤压分析目的是评价动力电池pack在整车碰撞过程中，电池包能够承受挤压的能力，确保电池包在整车碰撞工况下不会发生起火、爆炸等事故。

② 挤压分析使用的软件工具：动力电池pack挤压分析在Hypermesh中进行前处理，然后用Ls-dyna求解出动力电池pack挤压变形量。

③ 挤压分析边界条件：用一个半径为75mm半圆柱体（长度大于测试对象高度，但不超过1m），分别沿X和Y方向挤压电池包系统，当挤压力达到200KN或挤压量达到挤压方向整体尺寸的30%，如图5所示。

图5 动力电池pack挤压分析模型

5、跌落分析

① 跌落分析目的：动力电池pack跌落分析目的是模拟动力电池pack在装配过程中跌落到水泥地面上的情况，以了解动力电池pack在跌落过程中是否会出现撕裂、断裂、影响功能与性能的塑形变形等情况。

② 跌落分析使用的软件工具：动力电池pack挤压分析在Hypermesh中进行前处理，然后用Ls-dyna求解出动力电池pack不同时间的等效塑性应变。

③ 挤压分析边界条件：根据GB/T 31467.3-2015的要求，整体模型沿竖直方向，从1m的高度处自由落体到水泥地面，如图6所示：

图6 动力电池pack跌落分析模型

6、冲击分析

① 冲击分析目的：动力电池pack冲击分析。主要模拟电池包在整车行驶过程中遇到的冲击载荷，确保结构在实际冲击载荷工况下不发生撕裂、断裂、影响功能与性能的塑形变形等情况。

② 冲击分析使用的软件工具：动力电池pack冲击分析在Hypermesh中进行前处理，然后用Ls-dyna求解出动力电池pack的最大塑性应变的位置。

③ 冲击分析边界条件：根据GB/T 31467.3-2015的要求，约束动力电池pack螺栓孔节点X、Y、Z方向的平动自由度和转动自由度，对电池包施加峰值25g（15ms 周期）的半正弦冲击波形（如下图），Z 轴方向冲击3次，加载曲线如图7所示，动力电池pack冲击模型如图8所示：

图7 半正弦冲击波形

图8 动力电池pack冲击模型

7��模拟碰撞分析

① 模拟碰撞分析目的：动力电池pack模拟碰撞分析，主要电池包在整车碰撞过程中承受冲击载荷的能力，确保电池包在整车碰撞工况下机械结构安全，不挤压到电芯，不会发生起火、爆炸等事故。

② 模拟碰撞使用的软件工具：动力电池pack模拟碰撞分析在Hypermesh中进行前处理，然后用Ls-dyna求解出动力电池pack的最大塑性应变的位置。

③ 模拟碰撞分析边界条件：根据GB/T 31467.3-2015的要求，将电池包安装在车架上，根据车身重量，对系统在 X 和 Y 方向同时施加如表2的加速度。

	脉宽 ms	≤3.5t		3.5t~7.5t		≥7.5t
	脉宽 ms	X方向加速度	Y方向加速度	X方向加速度	Y方向加速度	X方向加速度	Y方向加速度
A	20	0g	0g	0g	0g	0g	0g
B	50	20g	8 g	10 g	5 g	6.6 g	5 g
C	65	20g	8 g	10 g	5 g	6.6 g	5 g
D	100	0g	0 g	0 g	0 g	0 g	0 g
E	0	10g	4.5g	5 g	2.5 g	4 g	2.5 g
F	50	28g	15g	17 g	10 g	12 g	10 g
G	80	28g	15g	17 g	10 g	12 g	10 g
H	120	0g	0g	0 g	0 g	0 g	0 g

3.8 振动疲劳分析

① 振动疲劳分析目的：动力电池pack振动疲劳分析，主要评价电池包的随机振动疲劳寿命，发现电池包薄弱位置并通过优化设计来确保电池包的机械寿命满足客户需求，如5年10万公里。

② 振动疲劳使用的软件工具：动力电池pack模拟碰撞分析在Hypermesh中进行前处理，然后用ncode求解出动力电池pack的最大塑性应变的位置。

③ 振动疲劳分析边界条件：根据GB/T 31467.3-2015的要求，结合电池包在车上的实际安装情况，施加下列边界条件：

约束动力电池pack螺栓孔节点X、Y、Z方向的平动自由度和转动自由度；
对电池包施加X、Y、Z向随机振动的功率谱密度；
在2的基础上进行疲劳分析。

表3 X轴加载的PSD值

频率 Hz	功率谱密度（PSD） g²/Hz	功率谱密度（PSD） (m/s²)²/Hz
5	0.01	0.96
10	0.015	1.44
20	0.015	1.44
50	0.01	0.96
200	0.0004	0.04
RMS	0.95g	9.32 m/s²

表4 Y轴加载的PSD值

频率 Hz	功率谱密度（PSD） g²/Hz	功率谱密度（PSD） (m/s²)²/Hz
5	0.0125	1.2
10	0.03	2.89
20	0.03	2.89
200	0.00025	0.02
RMS	0.96g	9.42 m/s²

表5 Z轴加载的PSD值

频率 Hz	功率谱密度（PSD） g²/Hz	功率谱密度（PSD） (m/s²)²/Hz
5	0.04	3.85
20	0.04	3.85
200	0.0008	0.08
RMS	1.23g	12.07 m/s²

图9 随机振动应力变化示意图

以上是笔者关于《新能源汽车动力电池PACK仿真要点》总结，自2019年9月25日起，我将在仿真秀独家首发《新能源汽车电池pack仿真分析进阶10讲-建立电池pack模型和仿真分析能力》（本周三更新第2-3期，第1期已经上线）

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学员可以掌握Hypermesh和Ls-dyna在新能源汽车电池PACK仿真分析的工作流程、注意事项及必备技能：Hypermesh和Ls-dyna软件基本操作和方法
了解国内主机厂在新能源汽车电池PACK总成建模中的要求和网格划分中所用标准规范；
解决学员在Hypermesh和Ls-Dyna软件应用过程中遇到的难点和痛点；
解决学员在新能源汽车电池PACK仿真分析建模过程中所遇到的难点问题和痛点，能够具备独立建立新能源汽车电池PACK模型的能力；
掌握基于新能源汽车电池PACK静强度、挤压、冲击、跌落、振动疲劳的建模方法；
掌握新能源汽车电池PACK结果后处理的方法，能够正确解读新能源汽车电池PACK仿真结果，提出合理的轻量化改进建议；
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4、讲师介绍

小石头老师，5年的汽车行业CAE仿真分析从业经验，车辆工程专业，硕士学历，仿真秀科普作者

学习或工作经历：匈牙利布达佩斯技术与经济大学，硕士学历；河南理工大学学士学历，就职于某新能源汽车主机厂，分析内容涉及新能源汽车碰撞仿真分析，电池PACK分析，悬架设计与分析，悬置系统解耦分析分析，行人保护分析等。

案例：基于GBT 31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法评价标准，以Hypermesh软件作为电池PACK的前处理器，以Ls-dyna软件，Hyperworks optistructT模块作为PACK仿真的求解器，建立了某车型的电池PACK仿真分析模型，电池PACK模型包括模态、静刚度、挤压、跌落、冲击，通过多轮的仿真优化分析，最终在满足设计目标的前提下电池PACK实现轻量化设计。

作者：小石头，仿真秀专栏作者

声明：原创文章，首发仿真秀公众号（ID:fangzhenxiu2018），部分图片源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。

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首次发布时间：2019-09-24