仿真笔记——动力电池结构仿真分析及轻量化优化

摘要：在全球新能源汽车产业快速发展的背景下，动力电池产能尤其是高端、优质电池产能的需求日益旺盛。国内动力电池企业在经历了持续的产能大扩张。动力电池作为新能源汽车的核心部件，是全产业链的核心环节。基于此，对动力电池结构仿真分析及轻量化优化进行研究，以供参考。

关键词：动力电池；结构仿真分析；轻量化优化

引言

动力电池是新能源汽车的核心部分，也是与传统燃油汽车进行区分的主要部分。目前多种动力电池被应用于新能源汽车之中，其主要解决了最基本的安全问题、续航问题、充电问题，但是在这些方面依旧无法完全令人满意，还有不小的探索发展空间，值得就相应的应用现状以及发展趋势展开研究。

能量电池是一种电池，它为电动汽车提供动力工具，是一种存储设备和能量的强大力量。所以这样的电池是电动车的重要和重要组成部分。应用于电动汽车的存储技术主要是采用电化学存储技术，导致了电动汽车在能源、性能、充电技术、使用寿命、安全性和成本等方面收到限制。近年来，电力、交通、电力等领域的电力和汽车产业技术的发展，在电池性能和突破性性能方面取得了巨大进步。新能源汽车是通过各种新能源生成电力并以电池作为动力源的汽车。新能源汽车的动力电池主要可划分为化学电池、物理电池以及生物电池三大类。化学电池即以物质的化学反应生成电能的电池，并可根据工作性质划分为原电池、蓄电池、燃料电池、储备电池等；物理电池即借助物理能量生成电能的电池，如太阳能电池、超级电容器等；生物电池即基于生物化学反应生成电能的电池，包括微生物电池、酶电池等。动力电池本身具有极高的电能以及输出功率，完全能够代替传统燃油汽车的动力装置。

动力电池袋布置在电动汽车乘员舱的底部。在车辆行驶过程中，有必要评估电池组的振动耐久性。抗振动性要求GB/t 31467.3-2015电动汽车锂离子电池组符合系统第3部分:安全要求和测试方法。随机振动是一种不规则形式的随机振动，通常与功率谱密度PSD一起考虑，是一种测量随机变量平均值的概率统计方法，通常用于随机振动分析。

对电力电池盒结构的三维数字模型进行有限元建模，计算软件包括Abaqus、ANSYS。电池箱体结构主要采用六面体、壳体、梁、弹簧单元。箱盖和箱体之间用螺栓连接，模块用长螺栓固定到箱体的下部梁，电池箱体底部梁与之间使用焊接连接其中，使用实体单位模拟长期螺栓，使用ACM和Reb3连接方式模拟熔接，使用seam单位模拟熔接，并且熔接位置与实际位置相同。

模态分析是研究结构动力学的重要方法，用于研究结构的自振特性，预测真实的初始结构和结构初始阶段的设计误差，如尽量减少系统的共振。这样可以大大缩短产品开发周期，节省开发成本。电池包的模态分析有助于确定电池系统结构的固有频率和形状，初步评估电池系统的一般特性，并基于此改进结构的动态响应。客车和储能电池随机振动载荷的冲击载荷通常较低，在随机振动载荷PSD谱中变得更小。频率越高，相应的振动负荷就越低，以避免电池振动，增加刚度，尽可能提高电池的主频率，以避免结构振动故障的风险，从而降低随机振动的风险。

蓄电池组结构强度低，存在结构失效的风险，需要进行结构优化。从提高动态电池组结构刚度和提高电池组主频率的角度来看，端板结构强度的提高能够将电池组内的所有模块结构连接在一起，同时在强度较小可能出现故障的部位，应局部加固，例如锁紧模块大梁的孔位置，螺栓紧固力较大，可在大梁下方添加后面板，局部加固。

轻量级优化旨在最大限度地降低结构质量，提高电池的能量密度，提高电动汽车的经济性，并相应地减少环境污染。考虑到结构安全性能，电池的轻度优化至关重要。法规遵从性指南:使用合适的强度材料进行适当的装配，根据操作电池结构仿真结果进行结构件强度分析，进行局部强化力部分；通过优化弱作用力下的焊缝，可以减少稀疏焊缝的数量，同时相应地增强受力载荷下的焊缝，优化焊缝点的放置，并相应地平衡电池整体结构。

同时，通过将轻质材料与先进的制造工艺相结合来优化体系结构，从而充分优化电池系统的结构。轻质材料可以由高密度金属和低密度金属组成，如铝、镁合金和复合材料，从而降低了结构质量。对于一些受临界力影响的零件，局部结构的加固可以通过塑料和激光焊接板等先进工艺加以补充，而无需通过增加厚度增加结构强度来实现更高效、更轻松的目标。

钠电池作为具有比能量高、充放电转化率高、循环寿命长、成本低廉、无污染等优势的电池，其在新能源汽车中具有一定的应用价值，不过却面临着高温腐蚀、安全可靠性差等挑战，因而目前并没有广泛应用，还需探索更加安全、稳定的应用模式。空气电池同样是化学电池的一种，其构造和干电池较为类似，只不过其氧化剂是空气中的氧。空气电池一般是以氧气作为正极的活性物质，而负极则为各种金属，如锌、铝等。空气电池的充电过程只需要对金属介质进行更换，就能在短时间内完成充电过程，一般只需要数分钟。而其放电过程则能实现大电流持续放电，同时自放电率接近零。

近年来，新能源汽车市场蓬勃发展，规模持续增长。作为新能源汽车核心的动力电池自然收到了广泛关注，大量消费者都对新能源汽车的续航里程、充电时间、安全性等十分重视，极为关注动力电池的发展。在巨大的市场需求之下，动力电池的研发、应用自然有着极为利好的条件。而且新能源汽车动力电池作为消费品的性价比优势会逐步体现，同时储能电池也迎来突破，使得动力电池在未来长达十几年内的需求可能维持在25%以上的高复合增速状态，前景极为广阔。我国以宁德时代为首的动力电池企业不仅在国内占据着重要作用，在国际竞争中也占据着一定优势，能够凭借国际订单的支持进一步推动动力电池市场的扩张。

作为电源，动力电池是车辆最重要的部件，其设计直接关系到整个车辆的性能。同时，电力电池系统结构也是汽车电池的主要支撑结构，因此对电力电池结构进行安全研究非常重要。大部分动力电池结构复杂，箱体结构重，大大增加了电动汽车的重量，因此有必要利用仿真技术对电动汽车动力电池箱整体结构进行优化分析，轻型优化设计是一个需要考虑的问题。

参考文献

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